DE102021201103A1

DE102021201103A1 - Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE102021201103A1
Application number: DE102021201103.9A
Authority: DE
Inventors: Jörg Bornwasser; Heribert Schmidt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2022-08-11
Also published as: WO2022167192A1; EP4289051A1

Abstract

Ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler umfasst zumindest eine Stufe. Jede Stufe umfasst eine Parallelschaltung aus einem Eingangskondensator (CIn) und einer Reihenschaltung, welche zumindest eine Induktivität (L) und zumindest einen Schalter (S1) aufweist. Die Parallelschaltung der Stufe umfasst einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Der erste Anschluss ist mit dem Eingangskondensator (CIn) und der Induktivität (L) der Stufe verbunden, und der zweite Anschluss der Parallelschaltung ist mit dem Eingangskondensator (CIn) und dem Schalter (S1) der Primärstufe verbunden. Zumindest eine der Stufen umfasst eine Klemmschaltung. Die Klemmschaltung umfasst einen Energiepuffer (Csn), welcher einen ersten Anschluss, welcher mit einem Knoten zwischen der Induktivität (L) und dem Schalter (S1) der Stufe verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist. Die Klemmschaltung ist ausgebildet, den zweiten Anschluss des Energiepuffers (Csn)• während zumindest eines Teils eines sperrenden Zustandes des Schalters (S1) der Stufen mit dem ersten Anschluss der Parallelschaltung einer der Stufen zu verbinden, und• während zumindest eines Teils eines leitenden Zustandes des Schalters (S1) der Stufen über einen von dem Schalter der Stufe separaten Pfad mit dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung einer der Stufen zu verbinden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gleichspannungswandler, insbesondere auf ein- oder mehrstufige Wandlertopologien, z.B. Sperrwandler, Durchflusswandler oder Gegentaktwandler, ohne galvanische Trennung, welche induktive Bauelemente, z.B. Speicherdrosseln, als energieübertragende Bauelemente einsetzen, oder mit galvanischer Trennung, welche gekoppelte induktive Bauelemente, z.B. Transformatoren, als energieübertragende Bauelemente einsetzen.
Hintergrund der Erfindung
Eine bekannte Topologie eines Gleichspannungswandler in Form eines Sperrwandlers mit galvanischer Trennung wird z.B. von U. Tietze und C. Schenk in Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer-Verlag, 12. Auflage, Jahr 2002, Kapitel 16.7.1 Eintakt-Wandler, Seiten 952 - 954, ISBN3540428496 beschrieben und ist in 1 dargestellt. Der Sperrwandler umfasst einen Eingang 100 mit den Eingangsanschlüssen 100a und 100b, zwischen die ein Eingangskondensator C_In geschaltet ist, und einen Ausgang 102 mit den Ausgangsanschlüssen 102a und 102b, zwischen die ein Ausgangskondensator C_Out geschaltet ist. Ferner umfasst der Sperrwandler einen Transformator Tr₁, welcher eine erste oder primärseitige Spule oder Induktivität L_Wp1 und eine zweite oder sekundärseitige Spule oder Induktivität L_Wp2 umfasst, welche z.B. elektrisch oder magnetisch miteinander gekoppelt sind. Eine primärseitige Reihen- oder Serienschaltung umfassend die primärseitige Spule L_Wp1 und einen Schalter S₁ ist zwischen die Eingangsanschlüsse 100a, 100b geschaltet bzw. ist zu dem Eingangskondensator C_In parallelgeschaltet. Ein erster Anschluss der primärseitigen Spule L_Wp ist mit dem Eingangsanschluss 100a verbunden, ein zweiter Anschluss der primärseitigen Spule L_Ws ist mit einem ersten Anschluss des Schalters S₁ verbunden, und zweiter Anschluss des Schalters S₁ ist mit dem Eingangsanschluss 100b verbunden. Eine sekundärseitige Reihen- oder Serienschaltung umfassend die sekundärseitige Spule Lws und eine Diode D₁ ist zwischen die Ausgangsanschlüsse 102a, 102b geschaltet bzw. ist zu dem Ausgangskondensator Cout parallelgeschaltet. Ein erster Anschluss der sekundärseitigen Spule Lws ist mit dem Anodenanschluss der Diode D₁ verbunden, der Kathodenanschluss der Diode D₁ ist mit dem Ausgangsanschluss 102a verbunden, und ein zweiter Anschluss der sekundärseitigen Spule L_Ws ist mit dem Ausgangsanschluss 102b verbunden.
Der in 1 gezeigte Sperrwandler wird z.B. in großen Stückzahlen als Gleichspannungswandler, DC/DC-Wandler, im Leistungsbereich bis zu einigen 100 Watt eingesetzt, wenn eine galvanische Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite erforderlich ist, so. z.B. bei Netzgeräten von PCs oder Ladegeräten für tragbare Geräte. Bei der in 1 gezeigten Schaltung wird eine Eingangsspannung U_In mit dem Eingangskondensator C_In gepuffert und über den getakteten Schalter S₁ an die Primärwicklung L_Wp des Transformators Tr₁ gelegt. Die Schaltfrequenz liegt dabei typischerweise im Bereich mehrerer Kilo- bis Megahertz. Bei leitendem Schalter S₁ baut sich in der Primärwicklung L_Wp ein Strom auf und im magnetischen Kreis des Transformators Tr₁ wird Energie eingespeichert. Die sekundärseitige Diode D₁ befindet sich in diesem ersten Abschnitt der Schaltperiode im sperrenden Zustand, da sie aufgrund des Wicklungssinns des Transformators Tr₁ in Sperrrichtung betrieben wird. Im zweiten Abschnitt der Schaltperiode geht der Schalter S₁ in den sperrenden Zustand und aufgrund der Selbstinduktion kehren sich sowohl die Spannung der Primärwicklung L_Wp als auch der Sekundärwicklung L_Ws um. Die Diode D₁ ist dann in Durchlassrichtung gepolt und die zuvor im magnetischen Kreis gespeicherte Energie wird, je nach Betriebsart, ganz oder teilweise in den Ausgangskondensator Cout übertragen. Der Ausgangskondensator Cout puffert dabei die Ausgangsspannung Uout, so dass trotz des diskontinuierlichen Energietransfers eine stabile Ausgangsspannung Uout zur Verfügung steht. Das Verhältnis von Eingangsspannung U_In und Ausgangsspannung U_Out lässt sich durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses ü des Transformators Tr₁ vorgeben. Die Regelung der Ausgangsspannung Uout erfolgt durch die Variation der Dauer des leitenden Zustands oder der An-Zeit des Schalters S₁ im Bezug zur Dauer seiner Schaltperiode, dem sogenannten Tastverhältnis.
Bei der anhand der 1 beschriebenen Sperrwandler-Topologie wird aufgrund der einseitigen, magnetischen Aussteuerung des Transformatorkerns das Kernmaterial ineffizient genutzt, so dass man mit einer ökonomischen Nutzung auf geringe Leistungen im Bereich von unter 1 kW beschränkt ist. Bei größeren Leistungen spielen die Kosten für Ansteuerung und die Schalter, welche bei einem Sperrwandler sehr niedrig sind, eine immer geringere Rolle. Die Kosten für den Transformator mit seinen Kupferwicklungen und dem magnetischen Kern spielen dagegen eine immer wichtigere Rolle, und durch die schlechte Ausnutzung dieser Komponente beim Sperrwandler, wird die Topologie für größere Leistungen immer unattraktiver.
Ein weiterer limitierender Faktor für die Nutzung des Sperrwandlers bei höheren Leistungen ist sein relativ niedriger Übertragungs-Wirkungsgrad, welcher den Aufwand zur Abfuhr der Verlustwärme erhöht. Ein Grund für den limitierten Wirkungsgrad der Topologie wird im Folgenden Beschrieben.
Bei einem realen Transformator sind Primär- und Sekundärwicklungen nicht ideal gekoppelt. Ein Teil der Energie wird daher nicht auf die Sekundärseite des Transformators übertragen, sondern in den Streuinduktivitäten gespeichert. Die Streuinduktivitäten bildet zusammen mit parasitären Kapazitäten, wie z.B. der Kapazität des primärseitigen Schalters, oder auch der Wicklungskapazität des Transformators, einen Schwingkreis.
Beim Abschalten bzw. beim Übergang in den sperrenden Zustand des primärseitigen Schalters kommt es innerhalb dieses Schwingkreises und somit auch über dem Schalter zu Oszillationen. Die Amplitude der Oszillationen kann erheblich sein und die Frequenz der Schwingung liegt oftmals mehr als eine Dekade über der Schaltfrequenz des Wandlers. Ohne geeignete Maßnahmen, welche die Schwingung dämpfen oder die Höhe der Schalterspannung begrenzen, kann es zum Ausfall bzw. Defekt des Schalters kommen.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Gegenmaßnahme zur Dämpfung der Schwingung, ist die sogenannte Snubber-Schaltung, welche die Energie aus der Streuinduktivität aufnimmt, hierdurch die Höhe der Spannungsüberschwinger begrenzt und gleichzeitig die Dauer der Schwingung reduziert. Eine Vielzahl von Snubber-Schaltungen ist bekannt. Einige wandeln die Energie aus den Streuinduktivitäten zu 100% in Wärme um und erhöhen hierdurch die Verluste des Wandlers. Viele Snubber-Schaltungen reagieren unflexibel auf Spannungsänderungen am Eingang des Wandlers, und ihre dämpfende Wirkung lässt sich daher nicht in allen Arbeitsbereichen alleine auf die unerwünschte Schwingung beschränken. Einen Teil der primär zur Verfügung stehenden Energie wird daher unmittelbar in Wärme umgewandelt, ohne dass diese zuvor in der Streuinduktivität eingespeichert wurde. Mit verlustarmen Snubbern, auch als verlustfreie oder regenerative Snubber bezeichnet, gelingt es, einen Teil der elektrischen Energie aus den Streuinduktivitäten für den Schaltkreis wiederzugewinnen, was aber mit erheblichem Mehraufwand und Mehrkosten einhergeht.
Beispielhafte Snubber-Schaltungen werden z.B. in der US 10 135 344 B2 , der DE 36 34 990 A1 , der US 5 734 563 A , der US 4 959 764 A oder der DE 10 2016 117 936 A1 beschrieben.
Für einstufige Wandler sei beispielhaft die US 4 959 764 A betrachtet, aus welcher die in 2 dargestellte Sperrwandler-Topologie mit galvanischer Trennung entnehmbar ist. Die Sperrwandler-Topologie gemäß 2 entspricht im Wesentlichen der in 1 dargestellten Topologie. Anders als in 1 ist der erste Anschluss des Schalters S₁ mit dem Eingangsanschluss 100a verbunden, der zweite Anschluss des Schalters S₁ ist mit dem ersten Anschluss der primärseitigen Spule L_Wp verbunden, und der zweite Anschluss der primärseitigen Spule L_Wp ist mit dem Eingangsanschluss 100b verbunden.
Ferner umfasst die Topologie primärseitig eine weitere Reihenschaltung umfassend einen Snubber-Kondensator C_sn und einen Snubber-Schalter S_sn, welche parallel mit der primärseitigen Spule L_Wp verschaltet ist. Ein erster Anschluss des Snubber-Kondensator C_sn ist mit dem ersten Anschluss der primärseitigen Spule L_Wp verbunden, ein zweiter Anschluss des Snubber-Kondensator C_sn ist mit einem ersten Anschluss des Snubber-Schalters S_sn verbunden, und ein zweiter Anschluss des Snubber-Schalters S_sn ist mit dem zweiten Anschluss der primärseitigen Spule L_Wp verbunden. Sekundärseitig sind eine weitere Diode D₂ und eine weitere Spule oder Induktivität L₁ vorgesehen. Die Kathode der weiteren Diode D₂ ist mit der Kathode der Diode D₁ bzw. dem ersten Ausgangsanschluss 102a verbunden. Die Anode der weiteren Diode D₂ ist mit dem zweiten Anschluss der sekundärseitigen Spule L_Ws verbunden. Ferner ist die Anode der weiteren Diode D₂ bzw. der zweite Anschluss der sekundärseitigen Spule Lws über die weitere Spule L1 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 102b verbunden.
In 2 sind die Schalter als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (englisch metaloxide-semiconductor field-effect transistor), MOSFET, mit antiparalleler Bodydiode dargestellt. In 2 ist ferner jeweils die parasitäre Kapazität des MOSFET dargestellt.
Die in der vorliegenden Beschreibung erwähnten Schalter ermöglichen im leitenden Zustand einen bidirektionalen Stromfluss. Schalter, welche diesen bidirektionalen Stromfluss nicht selbst bewerkstelligen können, ist daher eine Diode parallel geschaltet. In der vorliegenden Beschreibung werden die verwendeten Schalter auch vereinfacht dargestellt, z.B. durch die in 3(a) gezeigte vereinfachte Darstellung eines Schalters, welcher in der Praxis durch einen Halbleiter-Schalter realisiert werden kann, z.B. durch einen MOSFET mit Bodydiode, siehe 2 und 3(b), durch einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor), IGB-T, mit externer, antiparalleler Diode, siehe 3(c), oder durch einen Bipolartransistor (englisch bipolar junction transistor), BJT, mit externer, antiparalleler Diode, siehe 3(d).
Der DC/DC-Wandler gemäß 2 verwendet einen zusätzlichen Schalter S_s, auf der Primärseite. Die Schaltung ermöglicht eine hohe Effektivität bei der Rückgewinnung der Energie aus der Streuinduktivität. Zusätzlich wirkt die Bodydiode des Schalters S_sn in Verbindung mit dem Kondensator C_sn als zuverlässige Spannungsbegrenzung für den Schalter S₁. Weiterhin kann durch geeignete Ansteuerung des Schalters S_sn ein Zero-Voltage-Switching für den Hauptschalter S₁ erzielt werden. Damit sich der Kondensator C_sn durch die Energieaufnahme aus der in 2 nicht gezeigten Streuinduktivität der Transformatorwicklung L_Wp nicht immer weiter auflädt, wird der Schalter S_sn in der sperrenden Phase von S₁ aktiviert und erlaubt hierdurch eine Umkehr der Stromrichtung im Kondensator C_sn und in der Magnetisierungsinduktivität L_Wp des Transformators, wodurch auch das Zero-Voltage-Switching erreicht werden kann.
Ähnliche Schaltungen sind z.B. in der US 4 975 821 A , der US 5 126 931 A , der US 5 173 846 A , der US 5 303 138 A , der US 5 528 482 A oder der US 5 734 563 A beschrieben.
Für mehrstufige Wandler sei beispielhaft die DE 10 2016 117 936 A1 betrachtet, aus welcher die in 4 dargestellte mehrstufige Sperrwandler-Topologie mit galvanischer Trennung entnehmbar ist. 4 zeigt eine Topologie mit vier in Reihe verschalteten Stufen 104₁-104₄ auf der Primärseite. Die Sekundärseite ist in 4 nicht dargestellt. Jede Stufe 104₁-104₄ umfasst eine Parallelschaltung aus dem Eingangskondensator C_In1-C_In4 und einer Reihenschaltung, welche die primärseitige Induktivität L_Wp1-L_Wp4 und den Schalter S₁-S₄ aufweist. Die Eingangskondensatoren C_In1-C_In4 sind in Reihe bzw. Serie zwischen die Eingangsanschlüsse 100a, 100b des Eingangs 100 geschaltet. Die Parallelschaltung jeder Stufe 104₁-104₄ umfasst einen ersten Anschluss 104a₁-104a₄ und einen zweiten Anschluss 104b₁-104b₄. Der erste Anschluss 106an (n=1, 2, 3 ,4, ... N) der primärseitigen Induktivität L_Wpn einer Stufe 104_n ist mit dem ersten Anschluss 104an bzw. mit dem ersten Anschluss des Eingangskondensators C_Inn verbunden, der zweite Anschluss 106b_n der primärseitigen Induktivität L_Wpn einer Stufe 104_n ist mit dem ersten Anschluss 108an des Schalters S_n verbunden, und der zweite Anschluss 108b_n des Schalters S_n ist mit dem zweiten Anschluss 104b_n der Stufe bzw. mit dem zweiten Anschluss des Eingangskondensators C_Inn verbunden.
Ferner umfasst die in 4 dargestellte mehrstufige Sperrwandler-Topologie die Kondensatoren C_c1-C_c3, dort als Synchronisationskondensatoren bezeichnet, welche jeweils zwischen die Anschlüsse 106b bzw. 108a benachbarter Stufen geschaltet sind, also zwischen die zweiten Anschlüsse 106b der primärseitigen Induktivität L_Wp1-L_Wp4 bzw. zwischen die ersten Anschlüsse 108a der Schalter S₁-S₄. Zusätzlich umfasst die Schaltung die Diode D_Clamp, dort als Klemmdiode bezeichnet, deren Anode mit dem zweiten Anschluss 106b₂ der primärseitigen Induktivität L_Wp2 bzw. dem ersten Anschluss 108a₂ des Schalters S₂ der zweiten Stufe 104₂ verbunden ist, und deren Kathode mit dem ersten Anschluss 104a₃ der dritten Stufe 104₃ bzw. zweiten Anschluss 104b₄ der vierten Stufe 104₄ verbunden ist.
In der in 4 dargestellten Schaltung sind die Stufen bzw. Primärstufen 104_n in Reihe geschaltet und von einem ersten Anschluss 108an des Schalters S_n zum nächsten befindet sich jeweils ein Kondensator C_cn, wodurch einer Spannungsänderung über selbigen innerhalb einer Schaltperiode entgegengewirkt wird, und daher in Verbindung mit der ebenfalls über einer Periode stabilen Spannung der Eingangskondensatoren von einer Gleichschaltung der Schalterspannung gesprochen werden kann . Das Logiksignal der Schalter S₁-S₄ ist bei allen Schaltern gleich, sodass auch alle Schalter gleichzeitig leiten und sperren. Wenn die Schalter in den sperrenden Zustand übergehen, sorgt die Diode D_Clampfür die Begrenzung der Schalterspannung. Hierbei wird die Energie aus den Streuinduktivitäten der Primärwicklungen L_Wpn zu einem Teil in den Kondensatoren Ccn aufgenommen, ein anderer Teil fließt über die Diode D_Clampdirekt in die Eingangskondensatoren C_Inn zurück.
Wenn die Schalter zusammen in den leitenden Zustand wechseln, wird jeder Kondensator C_cn parallel zu einem der Eingangskondensatoren C_Inn geschaltet, wodurch sich die Spannung der Kondensatoren angleicht und die von den Kondensatoren C_cn aufgenommene Energie durch einen Ladungspumpen-Prozess über die leitenden Schalter S_n auf die Eingangskondensatoren C_Inn übertragen wird. Letzteres verhindert eine Überladung der Kondensatoren C_cn und sorgt des Weiteren für eine stabile Klemmspannung.
Die Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren C_Inn erfolgt auf zwei Wegen. Zum einen sorgt die magnetische Kopplung der Wicklungen L_Wpn während der leitenden Phase der Schalter S_n für ein Angleichen der Spannungen. Durch die magnetische Kopplung liegt an jeder Wicklung L_Wpn die gleiche Spannung an, Unterschiede sind nur durch das Vorhandensein einer Streuinduktivität zwischen den Wicklungen möglich und haben einen Stromfluss zur Folge. Dieser Stromfluss sorgt für einen Ladungsaustausch zwischen den Eingangskondensatoren C_Inn und somit zur Symmetrierung der Spannungen über den Eingangskondensatoren C_Inn.
Zum anderen sorgt auch der Ladungspumpen-Prozess für eine Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren C_Inn. So würde z.B. eine geringere Spannung an einem der Eingangskondensatoren C_Inn durch den Ladungspumpen-Prozess während der leitenden Phase der Schalter S_n auch zu einer geringeren Spannung über dem zugehörigen Kondensator C_cn führen. Dies hätte wiederum zu Folge, dass sich während der sperrenden Phase der Schalter S_n über der Streuinduktivität der zugehörigen Wicklung L_Wpn weniger Spannung aufbauen kann, folglich wird die Abgabe der Energie aus dieser Streuinduktivität mehr Zeit in Anspruch nehmen. Hierdurch fließt über den zugehörigen Kondensator C_cn länger ein Strom, sodass dieser mehr Ladung aufnimmt. Bei der nächsten leitenden Phase der Schalter S_n wird diese Ladung über den Ladungspumpen-Prozess an den zugehörigen Eingangskondensator C_Inn weitergegeben. Da der zugehörige Eingangskondensator C_Inn mehr Ladung erhält, als die der anderen Primärstufen, ist auch sein Spannungshub während dieses Ladungspumpenprozesses größer, wodurch die Symmetrierung der Spannungen über den Eingangskondensatoren vorangetrieben wird.
Ferner sei auf die DE 44 22 409 A1 verwiesen, welche ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichern oder Energiewandlern beschreibt. Auch aus der DE 44 22 409 A1 ist es bekannt, Kondensatoren zwischen den in Reihe geschalteten Energiespeichern vorzusehen, welche die in den Streuinduktivitäten gespeicherte Energie aufnehmen und verlustfrei zurückgeben, so dass mit der Schaltung ein Auftreten von Spannungsspitzen über den Schaltern sicher verhindert werden kann.
Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler und ein Verfahren bereitzustellen, um die bei den zuvor beschriebenen, bekannten Gleichspannungswandlern mit zwischen die Stufen geschalteten Kondensatoren erkannten und nachfolgend beschriebenen Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1, und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.
Figurenliste
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine bekannte Sperrwandler-Topologie mit galvanischer Trennung,
2 eine Sperrwandler-Topologie mit galvanischer Trennung entsprechend der US 4 959 764 A ,
3 die in dieser Beschreibung verwendete, vereinfachte Darstellung eines Schalters, siehe 3(a) und Beispiele von Halbleiter-Schaltern, welche in der Praxis eingesetzt werden können, siehe 3(b), 3(c) und 3(d),
4 eine Sperrwandler-Topologie mit galvanischer Trennung entsprechend der DE 10 2016 117 936 A1 ,
5 die Strompfade in der Schaltung nach 4, wenn nach einer leitenden Phase aller Schalter ein Schalter als letzter in den sperrenden Zustand übergeht,
6 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gemäß dem die erfindungsgemäße Klemmschaltung in einer einstufigen Gleichspannungswandlerschaltung realisiert ist,
7 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gemäß dem die erfindungsgemäße Klemmschaltung in einer mehrstufigen Gleichspannungswandlertopologie eingesetzt wird,
8 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klemmschaltung,
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klemmschaltung,
10 verschiedene Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung der Klemmschaltung gemäß 8 oder 9,
11 ein Ausführungsbeispiel eines einstufigen Gleichspannungswandlers, welcher die erfindungsgemäße Klemmschaltung gemäß 9 aufweist, bei welcher die Schaltungsanordnung einen Aufbau gemäß 10(a) hat,
12 ein Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers mit zwei Stufen, bei dem die zweite Stufe eine Klemmschaltung aufweist, welche gemäß 8 in Verbindung mit 10(a) aufgebaut ist,
13 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mehrstufigen Gleichspannungswandlers gemäß der vorliegenden Erfindung,
14 ein wiederum weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers mit mehreren Stufen, bei dem in mehreren der Stufen eine Klemmschaltung vorgesehen ist,
15 die Strompfade der Schaltung gemäß 13, wenn beim Übergang von der leitenden Phase aller Schalter in die sperrende Phase ein Schalter kurzzeitig im leitenden Zustand verbleibt;
16 die Schaltung gemäß 13, bei der nur ein Schalter leitet,
17 ein Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers, bei dem N, N≥2, Stufen in Reihe geschaltet sind,
18 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers mit drei Stufen, ähnlich der Ausführungsform gemäß 14, bei der anstelle der in 14 beschriebenen Klemmschaltungen die zweite und dritte Stufe jeweils eine Klemmschaltung umfassen, welche gemäß 9 in Verbindung mit 10(a) aufgebaut ist,
19 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers mit zwei in Reihe geschalteten Primärstufen, welche jeweils eine Klemmschaltung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung umfassen,
20 einen dreistufigen Gleichspannungswandler mit den Klemmschaltungen, welche gemäß 8 und 10(a) bzw. gemäß 9 und 10(a) aufgebaut sind,
21 ein Ausführungsbeispiel für die Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren durch eine magnetische Kopplung der primärseitigen Wicklungen von mehrstufigen Gleichspannungswandlern,
22 ein Ausführungsbeispiel für die Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren durch eine elektrische Kopplung der Sekundärwicklungen von mehrstufigen Gleichspannungswandlern,
23 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren durch Parallelschaltung der DC-Ausgänge der Sekundärstufen,
24 ein Ausführungsbeispiel zur Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren durch Regelung der Leistung jeder Stufe, und
25 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren durch Regelung der Leistung jeder Stufe, Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleichen oder ähnlichen Elementen die gleichen Bezugszeichen zugeordnet sind, näher beschrieben.

Nachteile von aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die zuvor beschriebenen, bekannten Gleichrichterschaltungen untersucht und Nachteile festgestellt, welche erfindungsgemäß ausgeräumt werden.
Nachteile der aus der US 4 959 764 A bekannten Schaltung gemäß 2 liegen vor allem in der Komplexität der Ansteuerung des Schalters S₁, denn hierbei handelt es sich um einen Highside-Schalter. Geht man für diesen Schalter von der Verwendung eines MOSFETs aus, so besitzt der Bezugspunkt der Ansteuerung, der Source-Anschluss des MOSFETs, ein sich mit jedem Schaltzustand änderndes Potential. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit für eine Gate-Treiber-Versorgung und ein Gate-Treiber-Eingangssignal, welche trotz ständiger Potentialänderung korrekt funktionieren. Der hierdurch entstehende Schaltungsaufwand erhöht die Kosten des Wandlers. Auch die Erzeugung des Ansteuersignals der beiden Schalter gestaltet sich aufwendig, denn zum einen ist das Ansteuersignal für beide Schalter nicht gleich oder einfach invertiert, und zum anderen erfordert die Ansteuerung je nach schaltungstechnischer Umsetzung auch einen messtechnischen Aufwand, um das Zero-Voltage-Switching zu ermöglichen.
Die aus der DE 10 2016 117 936 A1 oder aus der DE 44 22 409 A1 bekannte direkte und vor Allem für schnelle Änderungen sehr wirkungsvolle Kopplung der Schalterspannungen über die Kondensatoren C_cn weist Nachteile auf, da Unterschiede bei der Ansteuerung oder bei den Bauteiltoleranzen der Schalter dazu führen, dass die Schaltzeitpunkte der Schalter S_n leicht voneinander abweichen bzw. nicht exakt gleich sind. Tatsächlich ist ein geringer Versatz der Schaltzeitpunkte der Schalter S_n somit nie vollständig verhinderbar.
Im Folgenden wird ein Beispiel betrachtet, bei dem zunächst alle Schalter der Primärstufen leitend waren und in der Magnetisierungsinduktivität einen Strom aufgebaut haben. Anschließend gehen die Schalter in den sperrenden Zustand über, ein Schalter allerdings verzögert. 5 zeigt die Strompfade in der Schaltung nach 4, wenn nach einer leitenden Phase aller Schalter der Schalter S₁ als letzter in den sperrenden Zustand übergeht. Bei jedem Schalter S_n, welcher in den sperrenden Zustand übergeht, kommutiert der Wicklungs-Strom vom Schalter auf den Kondensator C_cn. Je nach Position des Schalters fließt dieser Strom über weitere Kondensatoren hin zum noch leitenden Schalter S₁. Letztendlich übernimmt in diesem Beispiel der Schalter S₁ die Ströme aller Primärstufen. Da es sich nur um einen sehr kurzen Moment handelt, in dem sich alle Ströme auf einen Schalter konzentrieren, stellt dies im Allgemeinen kein direktes Problem für diesen Schalter dar. Allerdings werden die Schaltverluste dieses Schalters entsprechend höher ausfallen.
Je nach Wahl der Schaltfrequenz bzw. dem Verhältnis von Umschaltdauer zur Taktperiode, können die Schaltverluste die dominierenden Verluste der Schalter sein und haben somit erheblichen Einfluss auf ihre Erwärmung. Wenn eine so entstehende Asymmetrie der Schaltverluste beim Entwickeln des Kühlkonzeptes nicht berücksichtigt wurde, kann dies zur Überhitzung einzelner Schalter führen. Verstärkt werden kann dies z.B. bei der Verwendung von MOSFETs als Schalter durch die thermische Abhängigkeit Ihrer Schwellenspannung. Ein MOSFET mit höherer Chip-Temperatur wechselt im Allgemeinen bei einer niedrigeren Schwellenspannung seinen Schaltzustand, was dazu führt, dass er früher einschaltet und später ausschaltet als ein Schalter mit niedrigerer Chip-Temperatur. Hierdurch kann es zu einer Mitkopplung bei den Schaltverlusten und letztendlich für den Schalter zu einem thermischen Runaway kommen.
Ein weiterer Nachteil der direkten Kopplung aller Schalterspannungen ist, dass ein einzelnes Ansteuern der Transformatorwicklungen nicht möglich ist, was aber insbesondere in Fällen geringer Ausgangsleistung in Bezug auf die Nennleistung des Gesamtwandlers wünschenswert sein kann, um einen geringeren Strom in der Magnetisierungsinduktivität aufzubauen. Bei geringen Ausgangsleistungen kann, je nach sekundärseitiger Topologie, eine sehr kurze An-Zeit der Schalter erforderlich sein. Dies ist in mehrerlei Hinsicht problematisch für die Ansteuerung der Schalter. Grund hierfür ist, dass je nach Ansteuerschaltung Mindest-Anschaltzeiten erforderlich sind und zu kurze Pulse gar nicht an den Schalter weitergegeben werden. In jedem Fall benötigt die Ansteuerung eine gewisse Zeit, um den Schalter vollständig durchzuschalten, eine zu kurze An-Zeit führt daher zu einem Betrieb der Schalter, bei dem diese nicht ihre volle Leistungsfähigkeit erreichen, wodurch das Übertragen der Leistung auf die Sekundärseite ineffizienter wird.
Könnte man dagegen die Wicklungen der einzelnen Primärstufen unabhängig voneinander betreiben, wäre es möglich bei geringen Ausgangsleistungen die Wicklungen nicht gleichzeitig sondern zyklisch bzw. periodisch nacheinander anzusteuern, in dem z.B. innerhalb einer Schaltperiode nur ein Schalter einer Primärstufe aktiviert wird. Somit könnte die An-Zeit dieses einen Schalters entsprechend verlängert werden.
Ein weiterer Nachteil der Nutzung von Kondensatoren C_cn zur direkten Kopplung aller Schalterspannungen ist, dass über sie in Verbindung mit der magnetischen Kopplung der Wicklungen eine Parallelschaltung von Streuinduktivitäten und Kondensatoren C_cn erfolgt. Der dabei entstehende Parallelschwingkreis, welcher je nach Schalterzustand auch noch weitere Komponenten einschließt, kann wiederum Ausgangspunkt für neue unerwünschte Schwingungen im System sein. Angeregt wird dieser Schwingkreis dabei wieder von dem zuvor beschriebenen, und in der Praxis nie vollständig ausschließbaren geringem zeitlichen Versatz im Zustandswechsel der Schalter.
Erfindungsgemäße Lösung
Die zuvor genannten Nachteile herkömmlicher Gleichstromwandler werden gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst, indem ein Energiepuffer, z.B. ein Kondensator, nicht länger fest verschaltet ist, sondern erfindungsgemäß zwischen unterschiedliche Knoten, abhängig vom Zustand des Schalters einer Stufe geschaltet wird, so dass für die Wicklung bzw. den Schalter einer jeden Stufe ein eigener Kommutierungspfad für den Strom bereitgestellt wird, welcher solange aktiv ist, bis die Energie in der jeweiligen Streuinduktivität abgebaut ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Klemmschaltung, welche mindestens den Energiepuffer umfasst. Ein erster Anschluss des Energiepuffers ist mit dem Knoten zwischen der Induktivität und dem Schalter einer Stufe verbunden. Ein zweiter Anschluss des Energiepuffers wird wahlweise mit einer Parallelschaltung aus einem Eingangskondensator und einer Reihenschaltung, welche eine Induktivität und einen Schalter aufweist, einer beliebigen Stufe, z.B. mit einem ersten Anschluss oder einem zweiten Anschluss einer Parallelschaltung der Stufe, oder, im Fall von mehrstufigen Ausführungsformen, mit einem ersten Anschluss oder einem zweiten Anschluss von Parallelschaltungen beliebiger Stufen verbunden.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird hierdurch sichergestellt, dass während des leitenden Zustandes des Schalters einer Stufe, welche mit der Klemmschaltung ausgestattet ist, der Energiepuffer an seinem zweiten Anschluss mit einem Eingangsanschluss der Stufe oder, bei mehrstufigen Ausgestaltungen der Schaltung, mit einem Eingangsanschluss einer beliebigen der Stufen verbunden werden kann. Dabei wird für den zweiten Anschluss des Energiepuffers ein Strompfad bereitgestellt, welcher nicht über den bzw. die Schalter der Stufen verläuft, so dass also ein von dem Schalter bzw. den Schaltern separater Pfad bereitgestellt wird, um die Ableitung der Ladungen, welche der Energiepuffer während der sperrenden Phase des Schalters der Stufe durch den über ihn fließenden Strom aufgenommen hat, auf den Eingangskondensator bzw. die Eingangskondensatoren zu ermöglichen.
Während der sperrenden Phase des Schalters der Stufe, welche mit der Klemmschaltung ausgestattet ist, ist die Klemmschaltung in der Lage, den Stromfluss vom Schalter der Stufe zu übernehmen, um damit Spannungsspitzen am Schalter zu vermeiden, sowie Schwingungen zu dämpfen.
Da die Klemmschaltung nur aktiv ist, wenn Strom vom Schalter auf sie kommutiert oder Ladung auf den Eingangskondensator übertragen wird, erreicht sie ihr Ziel der Begrenzung der Schalterspannung und der Dämpfung der Schwingung, ohne dabei alle Schalterspannungen dauerhaft zu symmetrieren und ohne einen weiteren, kontinuierlichen Schwingkreis aufzubauen. Hieraus ergeben sich die zuvor erwähnten Vorteile, die Möglichkeit einer getrennten Ansteuerung der Wicklungen, das Vermeiden eines Aufbaus einer schwingungsfähigen Parallelschaltung mit der Streuinduktivität, sowie bei unterschiedlichen Schaltzeitpunkten der primären Schalter das Verhindern der Kommutierung der Ströme von Stufen mit bereits sperrenden Schaltern auf Stufen mit noch leitenden Schaltern. Für letzteres sorgt die Energie in den Streuinduktivitäten, denn solange diese in der sperrenden Phase eines Schalters einer Stufe den Stromfluss über die Klemmschaltung aufrecht erhält, fließt dieser Anteil am Magnetisierungsstrom nicht über die noch im leitenden Zustand verbliebenen Schalter.
Die erfindungsgemäße Klemmschaltung wird gemäß Ausführungsbeispielen bei einstufigen Wandlertopologien oder bei mehrstufigen Wandlertopologien eingesetzt, wobei mehrstufige Wandlertopologien eine oder mehrere der Stufen mit der erfindungsgemäßen Klemmschaltung aufweisen können.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die erfindungsgemäße Klemmschaltung in ein- oder mehrstufigen Wandlertopologien ohne galvanische Trennung eingesetzt werden, wobei in diesem Fall die Stufe bzw. Stufen eine Induktivität aufweisen, z. B. in Form einer Spule oder Speicherdrossel. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen wird die erfindungsgemäße Klemmschaltung in einem ein- oder mehrstufigen Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung verwendet, so dass die Schaltung eine oder mehrere in Reihe verschaltete Primärstufen sowie eine oder mehrere Sekundärstufen umfasst. Bei solchen Ausführungsbeispielen umfasst bzw. umfassen die Sekundärstufe bzw. Sekundärstufen jeweilige Induktivitäten, welche im Fall einer einstufigen Topologie einen Transformator bilden. Im Fall einer mehrstufigen Topologie bilden die primärseitigen und sekundärseitigen Induktivitäten die Wicklungen eines oder mehrerer Transformatoren, beispielsweise abhängig davon, ob primärseitig zwei oder mehr der Induktivitäten bzw. Wicklungen der Stufen magnetisch gekoppelt sind oder nicht.
Einstufige Gleichspannungswandlerschaltung
6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gemäß dem die erfindungsgemäße Klemmschaltung in einer einstufigen Gleichspannungswandlerschaltung realisiert ist. Der grundsätzliche Aufbau der in 6 gezeigten Schaltung, genauer gesagt der in 6 dargestellten, einzigen Stufe der Schaltung, entspricht dem anhand der 1 zuvor beschriebenen Aufbau. Die in 6 dargestellte Stufe 104 umfasst einen Eingang 100 mit den Eingangsanschlüssen 100a und 100b, sowie die Parallelschaltung umfassend den Eingangskondensator C_In und die Reihenschaltung umfassend die Induktivität L und den Schalter S₁. Bei dem in 6 dargestellten, einstufigem Ausführungsbeispiel entsprechen die Anschlüsse 104a, 104b der Stufe 104 den Eingangsanschlüssen 100a, 100b des Gleichspannungswandlers. Der erste Anschluss 106a der Induktivität L ist mit dem Anschluss 104a der Stufe verbunden und der zweite Anschluss 106b der Induktivität L ist mit einem ersten Anschluss 108a des Schalters S₁ verbunden. Der zweite Anschluss 108b des Schalters S₁ ist mit dem zweiten Anschluss 104b der Stufe 104 verbunden.
6 illustriert ferner eine Klemmschaltung 200, welche zumindest einen Energiepuffer C_sn umfasst, z. B. in Form eines oder mehrerer Kondensatoren C_sn. Die Klemmschaltung 200 umfasst einen ersten Anschluss 200a, einen zweiten Anschluss 200b und einen dritten Anschluss 200c. Der Energiepuffer C_sn umfasst, wie in 6 dargestellt ist, einen ersten Anschluss 202a und einen zweiten Anschluss 202b, wobei der erste Anschluss 202a des Energiepuffers C_sn mit einem Knoten bzw. Anschluss K3 zwischen dem zweiten Anschluss 106b der Induktivität L und dem ersten Anschluss 108a des Schalters S₁ verbunden ist. Die Klemmschaltung 200 ist ausgebildet, um den zweiten Anschluss 202b des Energiepuffers C_sn wahlweise mit einem Knoten K1 zwischen dem ersten Anschluss 106a der Induktivität L und dem ersten Anschluss 104a der Stufe oder einem Knoten K2 zwischen dem zweiten Anschluss 108b des Schalters und dem zweiten Anschluss 104b der Stufe zu verbinden. Mit anderen Worten ist der Knoten K1 der erste Anschluss der zuvor genannten Parallelschaltung der Stufe, und der Knoten K2 ist der zweite Anschluss der zuvor genannten Parallelschaltung der Stufe.
Bei sperrendem Schalter S₁, was auch als geöffneter Schalterzustand oder Aus-Zeit des Schalters bezeichnet wird, bewirkt die Klemmschaltung 200 die Verbindung des zweiten Anschlusses 202b des Energiepuffers C_sn mit dem Anschluss K1, der zweite Anschluss 202b des Energiepuffers C_sn ist also mit dem Anschluss 104a der Stufe 104 verbunden. Bei sperrendem Schalter S₁ bewirkt die Klemmschaltung 200 einen Stromfluss von dem Schalter S₁ auf den Energiepuffer C_sn und ist damit in der Lage, Spannungsspitzen am Schalter S₁ zu vermieden.
Bei leitendem Schalter S₁, was auch als geschlossener Schalterzustand oder Ein-Zeit des Schalters bezeichnet wird, bewirkt die Klemmschaltung 200 die Verbindung des zweiten Anschlusses 202b des Energiepuffers C_sn mit dem Anschluss K2, der zweite Anschluss 202b des Energiepuffers C_sn ist also mit dem zweiten Anschluss 104b der Stufe verbunden. Bei leitendem Schalter S₁ ist der Energiepuffer C_sn zwischen die Anschlüsse K2 und K3 geschaltet, wodurch ein Ladungsabfluss von dem Energiepuffer C_sn auf den Eingangskondensator C_In bewirkt wird, sofern die Spannung über den Energiepuffer C_sn höher ist als die Spannung über dem Kondensator C_In. Wie aus 6 zu erkennen ist, erfolgt der Ladungsausgleich in dieser Situation über einen Pfad vom Energiepuffer C_sn über den Anschluss K2 zum Eingangskondensator C_In, also nicht über den Schalter S₁ sondern über einen vom Schalter separaten Pfad, wodurch die zuvor beschriebenen Nachteile im Zusammenhang mit auftretenden Schwingungen vermieden bzw. reduziert werden.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Verbindung der jeweiligen hierin beschriebenen Bauelemente entweder direkt miteinander sein kann, oder dass ein oder mehrere zusätzliche Bauelemente in den Verbindungspfaden zwischen den jeweiligen Bauelementen vorgesehen sind. Beispielsweise kann gemäß Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, den Energiepuffer, C_sn direkt, also ohne Zwischenschaltung weiterer Bauelemente, mit dem Knoten K3 zu verbinden, wohingegen bei anderen Ausführungsbeispielen ein oder mehr zusätzliche Bauelemente, z. B. in Form einer Diode oder eines anderen Schaltelements, zwischen den ersten Anschluss 202a des Energiepuffers C_sn und den dritten Anschluss 200c der Klemmschaltung 200 geschaltet sein können.
Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen einstufigen Gleichspannungswandler, welcher mit oder ohne galvanische Trennung aufgebaut sein kann. Im Fall einer Ausgestaltung ohne galvanische Trennung ist die Induktivität L beispielsweise in Form einer Spule oder Speicherdrossel ausgebildet und es existiert keine Sekundärseite. Im Fall einer Ausgestaltung mit galvanischer Trennung bildet die Induktivität L eine Primärwicklung eines Transformators oder Spartransformators und die in 6 dargestellte Stufe 104 kann auch als Primärstufe bezeichnet werden. In diesem Fall kann, ähnlich wie anhand der 1 beschrieben wurde, eine Sekundärseite mit einer entsprechenden Wicklung vorgesehen sein. Ausführungsbeispiele für die Ausgestaltung von Sekundärseiten bei Gleichspannungswandlertopologien mit galvanischer Trennung werden später noch im Detail beschrieben.
Mehrstufige Gleichspannunaswandlerschaltung
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gemäß dem die erfindungsgemäße Klemmschaltung in einer mehrstufigen Gleichspannungswandlertopologie eingesetzt wird. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Gleichspannungswandlertopologie mit N Stufen, mit N ≥ 2. 7 illustriert die Stufen 104₁, 104₂, 104_n, 104_N-1 und 104_N. Zumindest eine der genannten Stufen umfasst die erfindungsgemäße Klemmschaltung 200, z. B. die Stufe 104_n in 7. Die Zugehörigkeit einer Klemmschaltung zu einer bestimmten Stufe bestimmt sich abhängig davon, mit welchem Knoten K3 der erste Anschluss 202a des Energiepuffers C_sn der Klemmschaltung 200 bzw. der dritte Anschluss 200c der Klemmschaltung 200 verbunden ist. Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Anschluss 202a des Energiepuffers C_sn über den dritten Anschluss 200c der Klemmschaltung 200 mit dem Knoten K3_n verbunden, so dass die Klemmschaltung 200 Teil der Stufe 104_n ist. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind die ersten und zweiten Anschlüssen 200a und 200b der Klemmschaltung 200 mit beliebigen Anschlüssen K1 bzw. K2 der anderen Stufen verbunden. Beispielsweise kann der Anschluss 200a mit dem Anschluss K1_n verbunden sein und der Anschluss 200b kann mit dem Anschluss K2₁ verbunden sein. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf solche Ausführungsformen beschränkt, vielmehr kann, wie gerade erwähnt, jeder der Anschlüsse 200a und 200b der Klemmschaltung 200 mit einem der Anschlüsse K1 bzw. K2 der Parallelschaltungen einer beliebigen der Stufen, einschließlich den Anschlüssen K1 bzw. K2 der Stufe 104_n verbunden sein.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann bei einer mehrstufigen Ausgestaltung des Gleichspannungswandlers gemäß 7 zumindest eine oder mehrere weitere Stufen eine Klemmschaltung ausweisen. In diesem Fall ist der dritte Anschluss 200c der jeweiligen Klemmschaltung mit dem entsprechenden Knoten K3 der jeweiligen Stufe verbunden. Die jeweiligen Anschlüsse 200a bzw. 200b der Klemmschaltung können mit beliebigen Anschlüssen K1 bzw. K2 der Stufen verbunden sein, wobei die mehreren Klemmschaltungen mit den Anschlüssen K1 und/oder K2 der Parallelschaltungen gleicher oder unterschiedlicher Stufen verbunden sein können.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass bei einer mehrstufigen Ausgestaltung des Gleichspannungswandlers diejenigen Stufen, welche keine Klemmschaltung aufweisen, eine Diode aufweisen (siehe z.B. 12). Eine solche Diode ist derart vorgesehen, dass ihre Anode mit dem Knoten K3 derjenigen Stufe verbunden ist, welche keine Klemmschaltung aufweist, und die Kathode der Diode ist mit einem ersten Anschluss K1 einer Parallelschaltung einer beliebigen der höheren Stufen verbunden.
Die Klemmschaltung 200 ist, wie zuvor bereits erwähnt, ausgebildet bzw. in der Lage, wahlweise den zweiten Anschluss des Energiepuffers C_sn mit einem Anschluss K1 oder einem Anschluss K2 der Stufe, in welcher die Klemmschaltung angeordnet ist, oder, im Fall einer mehrstufigen Ausgestaltung gemäß 7, den entsprechenden Knoten einer beliebigen anderen Stufe zu verbinden.
Erstes Ausführungsbeispiel der Klemmschaltung - Variante A
8 illustriert ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klemmschaltung. Die Klemmschaltung 200 umfasst die Anschlüsse 200a, 200b und 200c, welche bereits zuvor erläutert wurden, sowie den Energiepuffer, der gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch zumindest einen Kondensator C_sn realisiert ist, dessen erster Anschluss 202a mit dem dritten Anschluss 200c der Klemmschaltung 200 verbunden ist. Der zweite Anschluss 202b des Kondensators C_sn ist mit einer Schaltungsanordnung 204 verbunden. Die Schaltungsanordnung 204 umfasst einen ersten Anschluss 204a, welcher mit dem ersten Anschluss 200a der Klemmschaltung 200 verbunden ist, einen zweiten Anschluss 204b, welcher mit dem zweiten Anschluss 200b der Klemmschaltung 200 verbunden ist, und einen dritten Anschluss 204c, welcher mit dem zweiten Anschluss 202b Kondensators C_sn der Klemmschaltung 200 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 204 ist ausgestaltet bzw. in der Lage, den zweiten Anschluss 202b des Kondensators C_sn abhängig vom Zustand des Schalters S der Stufe, in welcher die Klemmschaltung 200 angeordnet ist, mit dem ersten Anschluss 200a oder mit dem zweiten Anschluss 200b zu verbinden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Energiepuffer bzw. Kondensator C_sn auch als Spannungsbegrenzungs-Kondensator oder Snubber-Kondensator bezeichnet wird.
Zweites Ausführungsbeispiel der Klemmschaltung - Variante B
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung der Klemmschaltung 200, gemäß dem zusätzlich zu den anhand der 8 beschriebenen Elementen die Diode D_sn und der Schalter S_sn vorgesehen sind. Die Diode D_sn ist derart verschaltet, dass deren Anode mit dem dritten Anschluss 200c der Klemmschaltung 200 und damit mit dem Knoten K3 derjenige Stufe verbunden ist, welche die Klemmschaltung beinhaltet. Die Kathode der Diode D_sn ist mit dem ersten Anschluss 202a des Kondensators verbunden und dessen zweiter Anschluss 202b ist, wie auch in 8, mit dem dritten Anschluss 204c der Schaltungsanordnung 204 verbunden. Der Schalter S_sn ist zwischen den ersten Anschluss 200a der Klemmschaltung 200 und den ersten Anschluss 202a des Kondensators C_sn geschaltet, so dass ein erster Anschluss des Schalters S_sn mit dem Anschluss 202a des Kondensators C_sn verbunden ist, und der zweite Anschluss des Schalters S_sn mit dem ersten Anschluss 200a der Klemmschaltung 200. Gemäß Ausführungsbeispielen kann der Schalter S_sn durch einen N-Ch-MOSFET (N-Kanal-MOSFET) realisiert sein. Bei solchen Ausführungsbeispielen entspricht der Source-Anschluss des MOSFETs dem zweiten Anschluss des Schalters S_sn und ist somit mit dem Anschluss 200a der Klemmschaltung verbunden. Da an dem Anschluss 200a ein stabiles Spannungs-Potential herrscht, gestaltet sich die Ansteuerung eines solchen MOSFETs genauso einfach wie bei den Schaltern S_n der Primärstufen, die Ansteuer-Schaltung muss lediglich eine DC-Spannung zwischen dem Steuersignal und dem MOSFET ausgleichen.
Die Ausführungsbeispiele der Klemmschaltung gemäß 9 umfassen neben der Schaltungsanordnung aus 8 die Diode D_sn und den Schalter S_sn. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausgestaltung der Klemmschaltung gemäß 9 beschränkt, vielmehr können anstelle der Diode bzw. anstelle des Schalters andere, geeignete schaltende Elemente vorgesehen sein, beispielsweise anstelle des Schalters S_sn eine Diode und anstelle der Diode D_sn ein Schalter.
Die Klemmschaltung gemäß 8 erfordert keinen zusätzlichen aktiven Schalter zum Begrenzen der Schalterspannung, der Kostenaufwand ist daher niedriger als bei der Klemmschaltung gemäß 9.
Ein Vorteil der Klemmschaltung gemäß 9 ist, dass mit ihr auf eine höhere Spannung geklemmt werden kann. Daher ist es mit ihr auch möglich, mit nur einer Primärstufe auf das doppelte der Spannung U_In der Stufe bzw. der Spannung über dem Eingangskondensator C_In zu klemmen, sodass die Schaltung auch bei Verwendung von nur einer Primärstufe eingesetzt werden kann. Der zusätzlich notwendige Schalter S_sn besitzt, wie die Hauptschalter S, selbst bei einer Reihenschaltung mehrerer Primärstufen ein festes Bezugspotential. Die Ansteuerung dieses Schalters kann daher mit geringem Aufwand realisiert werden. Außerdem sehen dieser Schalter, ebenso wie die Dioden D_cl1n und D_c12n, bei der Klemmschaltung gemäß 9 nur einen Teil der Klemmspannung und können demensprechend günstiger ausgelegt werden.
Die Funktionsweisen der Klemmschaltungen gemäß 8 und 9 werden später unter Bezugnahme auf weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlerschaltung näher erläutert.
Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung der Klemmschaltung
Die Schaltungsanordnung 204 gemäß den 8 und 9 ist wirksam, um, wie zuvor erwähnt, den zweiten Anschluss 202b des Kondensators C_sn wahlweise, abhängig vom Zustand des Schalters der Stufe, welcher die Klemmschaltung zugeordnet ist, mit dem Anschluss 200a bzw. dem Anschluss 200b der Klemmschaltung 200 zu verbinden. Die Klemmschaltung ist derjenigen Stufe zugeordnet, welche den Knoten K3 enthält, mit welchem der dritte Anschluss 200c der Klemmschaltung verbunden ist. Bei leitendem Schalter bzw. leitenden Schaltern in der Stufe bzw. den Stufen ist die Schaltungsanordnung 204 in der Lage, den zweiten Anschluss 202b des Kondensators C_sn mit dem zweiten Anschluss 200b der Klemmschaltung 200 zumindest zeitweise, also während eines Teils der oder während der gesamten leitenden Phase, zu verbinden, welcher seinerseits, wie zuvor bereits erwähnt, mit einem Anschluss K2 der Parallelschaltung einer beliebigen Stufe verbunden ist. Bei sperrendem Schalter bzw. sperrenden Schaltern ist die Schaltungsanordnung 204 in der Lage, den zweiten Anschluss 202b des Kondensators C_sn zumindest zeitweise, also während eines Teils der oder während der gesamten sperrenden Phase, mit dem ersten Anschluss 200a der Klemmschaltung 200, welcher seinerseits mit einem Anschluss K1 einer Parallelschaltung einer beliebigen der Stufen verbunden ist, zu verbinden.
Die Schaltungsanordnung 204 kann beispielsweise durch Verwendung von Dioden oder Schaltern realisiert sein. 10 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung 204. 10(a) zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Schaltungsanordnung 204, welches eine Reihenschaltung aus den Dioden D_cl1 und D_cl2 umfasst, welche auch als Clamping- oder Spannungsbegrenzungs-Dioden bezeichnet werden können. Die Dioden sind zwischen die Anschlüsse 200a und 200b der Klemmschaltung 200 geschaltet, derart, dass die Kathode der ersten Diode D_cl1 mit dem ersten Anschluss 200a der Klemmschaltung 200 verbunden ist, und dass die Anode der zweiten Diode D_cl2 mit dem zweiten Anschluss 200b der Klemmschaltung verbunden ist. Die Anode der ersten Diode D_cl1 und die Kathode der zweiten Diode D_cl2 sind mit dem Knoten 206 der Schaltungsanordnung 204 verbunden und der zweite Anschluss 202b des Kondensators C_sn ist ebenfalls mit dem Knoten 206 verbunden. Das in 10(a) gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst die Reihenschaltung von zwei Dioden, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Ausgestaltung beschränkt, vielmehr können auch mehr als zwei seriell verschaltete Dioden bereitgestellt werden.
10(b) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 204, welches im Wesentlichen der Anordnung aus 10(a) entspricht, außer dass die Dioden D_cl1 und D_cl2 durch Schalter S_cl1 und S_cl2 ersetzt sind.
10(c) zeigt ein wiederum weiteres Ausführungsbeispiel für die Schaltungsordnung 204, bei dem anstelle der Verwendung von zwei oder mehr Schaltelementen zwischen den Anschlüssen 200a und 200b ein einzelner Schalter S_cl vorgesehen ist, welcher den Knoten 206, welcher mit dem zweiten Anschluss 202b des Kondensators C_sn verbunden ist, wahlweise, abhängig vom Zustand des Schalters der Stufe, in welcher die Klemmschaltung angeordnet ist, mit dem Anschluss 200a oder dem Anschluss 200b der Klemmschaltung verbindet.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers beschrieben, welcher eine oder mehrere Klemmschaltungen umfasst.
Ausführungsbeispiel eines einstufigen Gleichspannungswandters mit einer Klemmschaltung nach Variante B
Anhand der 11 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel eines einstufigen Gleichspannungswandlers erläutert, welcher die erfindungsgemäße Klemmschaltung gemäß 9 aufweist, bei welcher die Schaltungsanordnung einen Aufbau gemäß 10(a) hat, wobei die im Zusammenhang mit den 6 und 7 erwähnten Induktivitäten in 11 als Induktivität L_Wp bezeichnet ist. Der elektrische Eingang des Gleichspannungswandlers 100, umfassend die zwei Eingangsanschlüsse 100a und 100b, ist bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel durch den ersten Anschluss 104a der Stufe 104 bzw. durch den zweiten Anschluss 104b der Stufe 104 gebildet.
Mit der in 11 gezeigten Schaltung können z.B. Durchfluss- oder Sperrwandler aufgebaut werden. In diesen Fällen würde die Induktivität L_Wp eine Primärwicklung eines Transformators darstellen.
Wenn der Hauptschalters S in die sperrende Phase übergeht, lädt sich der Kondensator C_sn mit Hilfe der Energie aus der Streuinduktivität des Transformators, sowie der Energie aus der Magnetisierungsinduktivität L_Wp auf. Dieser Aufladevorgang erfolgt z.B. in den ersten Schaltzyklen nach Inbetriebnahme der Schaltung. Der Strom fließt dabei über die Reihenschaltung bestehend aus D_sn, C_sn und D_cl1. Gleichzeitig wird durch diese Reihenschaltung die Spannung über dem Schalter S begrenzt.
Durch gelegentliches oder regelmäßiges Einschalten des Schalters S_sn während der leitenden Phase von S wird die Spannung des Kondensators C_sn auf die Spannung über dem Eingangskondensator C_In begrenzt, hierbei ist die Reihenschaltung aus S_sn, C_sn, D_cl2 und C_In aktiv. Gemäß Ausführungsbeispielen werden die Schalter S und S_sn mit dem gleichen Logiksignal angesteuert. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können beim Ansteuern des Schalters S_sn aber auch Pulse ausgelassen werden, um Schaltverluste einzusparen.
Auch eine asynchrone Ansteuerung des Schalters S_sn, also z.B. das Einschalten von S_sn, während der sperrenden Phase des Schalters S, ist zulässig. Je nach Fall kann es hierbei zu einem Rückleiten von Energie aus der Magnetisierungsinduktivität L_Wp in den Eingangskondensator C_In kommen, wodurch z.B. die Ausgangsspannung des Wandlers bei geringen Ausgangsleistungen bzw. geringen Ausgangsströmen reduziert werden kann, ohne dass hierfür die An-Zeit des Schalters S reduziert werden muss. Diese Betriebsart kann dabei dienlich sein, die An-Zeit des Schalters S über einem festgelegten, und von der Ansteuerung der Schalter in der Praxis benötigtem Minimum zu halten.
Durch die Begrenzung der Spannung über C_sn auf die Höhe der Eingangsspannung wird gleichzeitig die Schalterspannung über S auf das doppelte der Eingangsspannung begrenzt. Ebenso wird gleichzeitig die Spannung über dem Schalter S_sn durch die Reihenschaltung von D_cl1 und C_sn auf die einfache Eingangsspannung begrenzt.
Gegenüber der aus der US 4 959 764 A bekannten Schaltung hat die Schaltung gemäß 6 bzw. 11 folgende Vorteile. Ebenso wie mit der Schaltung gemäß der US 4 959 764 A wird die Spannung an den Schaltern begrenzt und die Energie aus der Streuinduktivität der Transformatorwicklung wird zurückgewonnen. In der erfindungsgemäßen Schaltung werden diese Ziele aber ohne einen Schalter erreicht, bei dem sich bei jedem Schaltvorgang das Bezugspotential ändert. Erfindungsgemäß ist das Bezugspotential beider Schalter S und S_sn fest mit dem Eingangskondensator C_In verbunden.
Vorzugsweise erfolgt die Auslegung des Eingangskondensators C_In so, dass die Spannungsänderung über selbigen während einer Schaltperiode vernachlässigt werden kann. Somit gestaltet sich die Ansteuerung beider Schalter sehr einfach, eine aufwendige Versorgung der Schalteransteuerung ist nicht notwendig.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele von mehrstufigen Gleichspannungswandlern beschrieben, welche entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere erfindungsgemäße Klemmschaltungen umfassen, z. B. eine oder mehrere Klemmschaltungen, welche einen Aufbau entsprechend den anhand der 8 bis 10 beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweisen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass diejenige Stufe, welche mit ihrem ersten Abschluss K1 bzw. 104a der Parallelschaltung mit dem ersten Eingangsanschluss 100a, z.B. dem Pluspol, des Eingangs 100 verbunden ist, auch als die oberste oder obere Stufe des mehrstufigen Gleichspannungswandlers bezeichnet wird. Diejenige Stufe, welche mit ihrem zweiten Abschluss K2 bzw. 104b der Parallelschaltung mit dem zweiten Eingangsanschluss 100b, z.B. dem Minuspol, des Eingangs 100 verbunden ist, wird auch als die unterste oder untere Stufe des mehrstufigen Gleichspannungswandlers bezeichnet.
Ausführungsbeispiel eines zweistufigen Gleichspannunaswandlers mit einer Klemmschaltung nach Variante A
12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers mit zwei Stufen 104₁ und 104₂ , bei dem die zweite oder oberste Stufe 104₂ eine Klemmschaltung aufweist, welche bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Aufbau gemäß 8 in Verbindung mit 10(a) aufweist. Der dritte Anschluss 200c der Klemmschaltung 200 ist mit dem Knoten K3₂ verbunden, welcher zwischen dem unteren oder zweiten Anschluss 106b₂ der Induktivität L_WP2 und dem ersten Anschluss 108a₂ des Schalters S₂ angeordnet ist. Damit ist die Klemmschaltung 200 der zweiten Stufe 104₂ zugeordnet. Der erste Anschluss 200a der Klemmschaltung 200 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem ersten Anschluss K1₂ der Parallelschaltung der zweiten Stufe verbunden, und damit mit dem ersten Anschluss 104a₂ der zweiten Stufe und dem ersten Anschluss 106a₂ der Induktivität L_WP2. Der zweite Anschluss 200b der Klemmschaltung 200 ist mit dem Anschluss K2₁ verbunden, nämlich dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung in der ersten Stufe 104₁, also mit dem zweiten Anschluss 104b_n der ersten Stufe 104₁ und dem zweiten Anschluss 108b₁ des Schalters S₁ der ersten Stufe 104₁. Der Knoten K3₁ der ersten Stufe, welcher zwischen dem zweiten Anschluss 106b₁ der Induktivität L_Wp1 und dem ersten Anschluss 108a₁ des Schalters S₁ liegt, ist über die Diode D_sn1 mit dem Anschluss K1₂ der zweiten Stufe 104₂ verbunden.
Der elektrische Eingang des Gleichspannungswandlers, umfassend die zwei Eingangsanschlüsse 100a und 100b, wird bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel durch den ersten Anschluss 104a₂ der zweiten Stufe 104₂ bzw. durch den zweiten Anschluss 104b_n der ersten Stufe 104₁ gebildet.
Mit der in 12 gezeigten Schaltung können z.B. Durchfluss- oder Sperrwandler aufgebaut werden, und in diesem Fall würden die Induktivitäten L_Wp1 und L_Wp2 je eine Primärwicklung eines Transformators oder mehrerer Transformatoren darstellen. In diesem Fall kann, ähnlich wie anhand der 1 beschrieben wurde, eine Sekundärseite mit entsprechenden Wicklungen vorgesehen sein.
Für die folgende Betrachtung wird davon ausgegangen, dass alle Schalter S_n gleichzeitig ihren Schaltzustand ändern, die Primärstufen in einem Sperrwandler Einsatz finden und die Wicklungen L_Wpn auf einem gemeinsamen magnetischen Kern eines Transformators untergebracht sind.
Im leitenden Zustand der Schalter baut sich ein Strom in der gemeinsamen Magnetisierungsinduktivität des Transformators, aber auch in den Streuinduktivitäten einer jeden Wicklung auf. Beim Wechsel in den sperrenden Zustand der Schalter beginnt die Kommutierung des Stromes der Magnetisierungsinduktivität auf die sekundärseitige Sperrwandler-Diode. Zunächst fließt aber auf Grund der Streuinduktivitäten der Primärwicklungen auch primärseitig noch Strom. Da die Schalter sperren, fließt der Strom der unteren Wicklung L_Wp1 über die Diode D_sn1 und den Eingangskondensator C_In2, der Strom der oberen Wicklung L_Wp2 über den Kondensator C_sn1, die Diode D_cl1 und den Kondensator C_In2. Die Schalterspannung des unteren Schalters S₁ wird durch die aufgezeigte Masche auf die Summenspannung der beiden Eingangskondensatoren C_In1 und C_In2 geklemmt, die des oberen Schalters S₂ auf die Summe der Spannungen von C_sn1 und C_In2. Die Streuinduktivitäten wirken als Stromquellen und bauen dadurch ihre gespeicherte Energie ab. Die Energie wird in die Eingangskondensatoren C_In1, C_In2 sowie den Kondensator C_sn1 übertragen.
Wenn sich dabei die Spannung über dem Kondensator C_sn1 auf eine höhere als die am Kondensator C_In1 aufgebaut hat, wird in der nächsten Schaltperiode, wenn die Schalter S₁ und S₂ wieder leitend werden, die Diode D_cl2 leitend, wodurch die beiden Kondensatoren C_In1 und C_sn1 parallel liegen und Ladung aus dem Kondensator C_sn1 in den Eingangskondensator C_In1 fließt. Im kontinuierlichen Betrieb führt dies dazu, dass am Kondensator C_sn1 und am Eingangskondensator C_In1 die gleiche Spannung anliegt. Hieraus folgt, dass die Spannung beider Schalter auf die doppelte Spannung eines Eingangskondensators C_Inn begrenzt wird.
Die Schaltung gemäß 12 lässt sich dazu nutzen, beliebig viele Primärstufen in Reihe zu schalten, mindestens aber zwei, wobei vorzugsweise die oberste bzw. N-te Primärstufe eine Klemmschaltung 200 besitzt, damit die Spannung am Schalter S_N begrenzt und die Energie aus der Streuinduktivität der obersten Transformatorwicklung L_WpN zurückgeführt werden kann. Für alle anderen Primärstufen 1,...,N-1 kann gemäß Ausführungsbeispielen das Klemmen der Spannung und die Rückgewinnung der Energie, wie gezeigt, mit einer Diode D_snn erfolgen, welche an den Anschluss K1_n einer höheren Primärstufe (n+1,...N) angeschlossen wird. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen besteht auch die Möglichkeit eine, mehrere oder alle der unteren Primärstufen 1,..., N-1 mit einer Klemmschaltung gemäß den anhand der 8 bis 10 beschriebenen Ausführungsbeispielen auszustatten. Die Spannungshöhe über den Eingangskondensatoren C_Inn können dabei auf verschiedene Wege symmetrisch gehalten werden, was später noch im Detail beschrieben wird.
Ausführunasbeispiel eines N-stufigen Gleichspannungswandlers mit einer Klemmschaltung nach Variante A
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mehrstufigen Gleichspannungswandlers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau der Schaltung gemäß 13 ist ähnlich dem Aufbau der in 12 gezeigten Schaltung, außer dass eine Reihenschaltung von N Stufen 104₁ bis 104_N angenommen ist. Mit anderen Worten können sich zwischen der zweiten Stufe 104₂ und der obersten oder letzten Stufe 104_N keine oder eine beliebige Anzahl weiterer Stufen befinden, welche entweder ohne Klemmschaltung oder mit Klemmschaltung ausgebildet sein können. Wie bei der anhand der 12 beschriebenen Schaltung befindet sich auch bei der Ausführungsform gemäß 13 die Klemmschaltung 200 in der obersten Stufe 104_N und damit ist der Kondensator C_snN mit seinem ersten Anschluss 202a mit dem Knoten K3_N verbunden. Wie zuvor bereits erwähnt wurde, können die Anschlüsse 200a und 200b der Klemmschaltung mit beliebigen Anschlüssen der Parallelschaltung beliebiger Stufen verbunden werden und bei dem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Anschluss 200b der Klemmschaltung 200 mit dem zweiten Anschluss K2₂ der Parallelschaltung der zweiten Stufe 104₂ verbunden.
Ähnlich wie anhand der 12 beschrieben wurde, enthalten diejenigen Stufen, welche keine Klemmschaltung aufweisen, die Diode D_snn, welche jeweils zwischen den jeweiligen Knoten K3_n und dem Knoten K1_n einer beliebigen der höheren Stufen geschaltet ist. Bei dem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Diode D_sn1 zwischen den Knoten K3₁ und dem ersten Anschluss K1₂ der Parallelschaltung der Stufe 104₂ geschaltet, und die Diode D_sn2 ist zwischen dem Knoten K3₂ der zweiten Stufe und dem ersten Anschluss K1_N der Parallelschaltung der Stufe 104_N geschaltet.
Die Schaltung gemäß 13 ist ein Beispiel, wie N Primärstufen in Reihe geschaltet werden können. In dem dargestellten Beispiel wird nur die oberste Primärstufe N mit der Klemmschaltung gemäß 8 und 10(a), bestehend aus den beiden Dioden D_cl1N und D_cl2N, sowie dem Kondensator C_snN, aufgebaut. Bei den restlichen Primärstufen 1,2, ... N-1 wird eine Diode D_snn zum Klemmen der Schalterspannung genutzt, in dem sie zwischen dem ersten Anschluss 108an des Schalters S_n und dem ersten Anschluss 104an einer Stufe 104_n einer höheren Primärstufe angeschlossen ist.
Ausführungsbeispiel eines dreistufigen Gleichspannungswandlers mit zwei Klemmschaltungen nach Variante A zum Klemmen auf das dreifache der Spannung eines Eingangskondensators
14 zeigt ein wiederum weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers mit mehreren Stufen, bei dem in mehreren der Stufen eine Klemmschaltung vorgesehen ist. 14 zeigt einen dreistufigen Gleichspannungswandler umfassend die Stufen 104₁, 104₂ und 104₃. Die zweite Stufe 104₂ umfasst eine Klemmschaltung 200₂, welche bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 8 in Verbindung mit 10(a) aufgebaut ist. Ferner umfasst die dritte, oberste Stufe die Klemmschaltung 200₃, welche, wie die Klemmschaltung 200₂ entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 in Verbindung mit 10(a) aufgebaut ist. Beim Aufbau der Schaltung gemäß 14 sind die ersten Anschlüsse 200a₂ und 200a₃ der Klemmschaltungen 200₂ und 200₃ auf den Anschluss K1₃ der Parallelschaltung der dritten Stufe 104₃ geschaltet, und die zweiten Anschlüsse 200b₂ und 200b₃ sind auf den zweiten Anschluss K2₁ der Parallelschaltung der ersten Stufe geschaltet. Die erste Stufe 104₁ umfasst bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Diode D_sn1, welche zwischen den Knoten K3₁ und den Anschluss K1₃ der dritten Stufe geschaltet ist.
Durch die Parallelschaltung der Dioden D_cl13 und D_cl23 mit den drei in Reihe geschalteten Eingangskondensatoren C_Inn, wird die Klemmspannung auf das dreifache der Spannung eines Eingangskondensators erhöht. Hierdurch wird zum einen der nutzbare Bereich der Ausgangsspannung vergrößert, zum anderen kann die Energie in den Streuinduktivitäten beim Wechsel der Schalter S_n in den sperrenden Zustand schneller abgebaut werden, wodurch wiederum weniger Energie aus der Magnetisierungsinduktivität auf die Primärseite zurückgeholt wird.
Bei der untersten Primärstufe 104₁ wird wieder eine Diode D_sn1 zum Klemmen der Schalterspannung genutzt, in dem sie zwischen dem ersten Anschluss 108a₁ des Schalters S₁ und dem ersten Anschluss 104a₃ der Stufe 104₃ geschaltet ist.
Gegenüber der aus der DE 10 2016 117 936 A1 bekannten Schaltung haben die Schaltungen gemäß 6 bzw. 12 bis 14 folgende Vorteile. Die Schalterspannungen bzw. die Spannungen an den Primärwicklungen sind nicht gleichgeschaltet. Hieraus resultiert eine höhere Toleranz gegenüber Variationen in den Schaltzeitpunkten der einzelnen Primärstufen. Im Folgenden wird von der Verwendung eines gemeinsamen Transformatorkerns für die Wicklungen L_Wpn ausgegangen. Wenn ein Schalter vor den anderen in den sperrenden Zustand übergeht, kommutiert der Strom der zugehörigen Transformatorwicklung nicht direkt auf die im leitenden Zustand verbleibenden Schalter. Da es für jeden Schalter einen eigenen Freilaufpfad gibt, übernimmt dieser mit Hilfe der Streuinduktivität jeder Transformatorwicklung zunächst den Strom. Der Strom in den Streuinduktivitäten wird ab diesem Zeitpunkt abgebaut, wodurch die verbleibenden Schalter mehr Strom aus der Magnetisierungsinduktivität übernehmen müssen.
15 zeigt die Strompfade 11, 12, 13 der Schaltung gemäß 13 mit drei Stufen, wenn beim Übergang von der leitenden Phase aller Schalter S₁-S₃ in die sperrende Phase der Schalter S₁, z.B. durch Bauteiltoleranzen, kurzzeitig als einziger Schalter im leitenden Zustand verbleibt. In 15 ist ferner eine Ausgangsstufe bzw. Sekundärstufe mit einem Aufbau dargestellt, welcher anhand der 1 erläutert wurde. Im Vergleich zu der direkten kapazitiven Kopplung gemäß den zuvor beschriebenen herkömmlichen Ansätzen kommt es dabei aber nicht zur sofortigen und vollständigen Übernahme des Magnetisierungsstromes durch den im leitenden Zustand verbleibenden Schalter. Mit geringen Unterschieden der Schaltzeitpunkte, wie sie in der Praxis durch Bauteiltoleranzen verursacht werden, kann die Schaltung daher sehr gut umgehen, die Gefahr der Konzentration der Schaltverluste auf einzelne Schalter ist deutlich reduziert.
Gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Tatsache, dass die Schalter- bzw. Wicklungs-Spannungen nicht gleichgeschaltet sein müssen, vorteilhaft wie folgt genutzt. Da die Wicklungen der einzelnen Primärstufen unabhängig voneinander betrieben werden können, ist es möglich bei geringen Ausgangsleistungen die Wicklungen nicht gleichzeitig sondern zyklisch bzw. periodisch nacheinander anzusteuern, in dem z.B. innerhalb einer Schaltperiode nur ein Schalter einer Primärstufe aktiviert wird, wie es anhand der 16 dargestellt ist, welche die Schaltung gemäß 13 mit drei Stufen zeigt, bei der nur ein Schalter leitet und damit in der Magnetisierungsinduktivität weniger Strom aufgebaut wird bzw. der Strom langsamer aufgebaut wird. Auch 16 zeigt die Ausgangsstufe bzw. Sekundärstufe des Wandlers mit dem Aufbau, welcher anhand der 1 erläutert wurde. Werden die Schalter auf diese Weise beim Durchlaufen der Schaltperioden nacheinander und somit nicht alle gleichzeitig in den leitenden Zustand gebracht, kann damit die An-Zeit der Schalter S₁ - S_N entsprechend verlängert werden. Diese Ausführungsform wird beispielsweise bei Fällen geringer Ausgangsleistung in Bezug auf die Nennleistung des Gesamtwandlers verwendet. Ohne Nutzung dieser Betriebsart kann bei geringen Ausgangsleistungen kann, je nach sekundärseitiger Topologie, eine sehr kurze leitende Phase der Schalter erforderlich werden. Dies kann in mehrerlei Hinsicht problematisch für die Ansteuerung der Schalter sein. Grund hierfür ist, dass je nach Ansteuerschaltung Mindest-Anschaltzeiten erforderlich sein können und zu kurze Pulse gar nicht an den Schalter weitergegeben werden. In jedem Fall benötigt die Ansteuerung eine gewisse Zeit, um den Schalter vollständig durchzuschalten, eine zu kurze An-Zeit führt daher zu einem Betrieb der Schalter, bei dem diese nicht ihre volle Leistungsfähigkeit erreichen, wodurch das Übertragen der Leistung auf die Sekundärseite ineffizienter wird. Diese Probleme und die damit einhergehenden Nachteile vermeidet das Ausführungsbeispiel, indem die Schalter einzeln angesteuert und ggf. unterschiedlich und unabhängig voneinander geschaltet werden.
Anhand der 12 bis 16 wurden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die Klemmschaltung einen Aufbau gemäß 8 in Verbindung mit 10(a) aufweist. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf solche Ausgestaltungen der Klemmschaltung beschränkt, vielmehr kann die Klemmschaltung, wie beispielsweise anhand der 11 erläutert wurde, auch einen Aufbau gemäß 9 in Verbindung mit 10(b) umfassend die zusätzliche Diode D_sn und den zusätzlichen Schalter S_sn haben.
Ausführungsbeispiel eines N-stufigen Gleichspannungswandlers mit einer Klemmschaltung nach Variante B
17 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers, bei dem N, N≥2, Stufen in Reihe geschaltet sind. Der grundsätzliche Aufbau gemäß dem Ausführungsbeispiel in 17 entspricht dem Aufbau in 13, außer dass die Klemmschaltung gemäß 9 in Verbindung mit 10(a) ausgebildet ist.
Die Schaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 17 umfasst also wie die Schaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 13 mehrere Primärstufen N, welche in Reihe geschaltet sind. Die oberste Primärstufe N der Reihenschaltung umfasst eine Klemmschaltung 200 gemäß 9 und 10(a), so dass die Spannung am Schalter S_N begrenzt und die Energie aus der Streuinduktivität der obersten Transformatorwicklung L_WpN zurückgeführt werden kann. Wie auch bei der Schaltung gemäß 14 kann auch hier, gemäß Ausführungsbeispielen, für alle anderen Primärstufen 1,...,N-1 das Klemmen der Spannung und die Rückgewinnung der Energie, wie gezeigt, mit einer Diode D_snn erfolgen, welche an den Anschluss K1_n einer höheren Primärstufe (n+1,...N) angeschlossen wird. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen besteht auch die Möglichkeit eine, mehrere oder alle der unteren Primärstufen 1,..., N-1 mit einer Klemmschaltung gemäß den anhand der 8 bis 10 beschriebenen Ausführungsbeispielen auszustatten.
Ausführungsbeispiel eines dreistufigen Gleichspannunaswandlers mit zwei Klemmschaltungen nach Variante B zum Klemmen auf das dreifache der Spannung eines Eingangskondensators
18 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers mit drei Stufen, ähnlich der Ausführungsform gemäß 14, bei der anstelle der in 14 beschriebenen Klemmschaltungen die zweite und dritte Stufe jeweils eine Klemmschaltung umfassen, welche gemäß 9 in Verbindung mit 10(a) aufgebaut ist. Anders als in 14 sind bei der Ausführungsform gemäß 18 die jeweiligen ersten Anschlüsse 200a₂ und 200a₃ und die jeweiligen zweiten Anschlüsse 200b₂ und 200b₃ der Klemmschaltungen 200₂ und 200₃ mit unterschiedlichen Anschlüssen der Parallelschaltungen in den drei Stufen verbunden. Genauer gesagt ist der erste Anschluss 200a₁ der Klemmschaltung 200₁ mit dem Anschluss K1₂ der zweiten Stufe 104₂ verbunden und der zweite Anschluss 200b₁ ist mit dem Anschluss K2₁ der Parallelschaltung der ersten Stufe 104₁ verbunden. Die Klemmschaltung 200₃ der dritten Stufe 104₃ ist derart verschaltet, dass deren erster Anschluss 200a₃ mit dem Anschluss K1₃ der Parallelschaltung der dritten Stufe 104₃ verbunden ist, und dass der zweite Anschluss 200b₃ mit dem Anschluss K2₂ bzw. dem Anschluss K1₁ der zweiten bzw. ersten Stufe verbunden ist.
Durch die Verwendung von mehr als einer Primärstufe kann auf mehr als die doppelte Spannung eines Eingangskondensators C_Inn geklemmt werden. Dies kann z.B. bei einer Sperrwandler-Topologie genutzt werden, um einen größeren Ausgangsspannungsbereich abdecken zu können. Bei dem in 18 gezeigten Ausführungsbeispiel wird auf die dreifache Spannung eines Eingangskondensators C_Inn geklemmt, indem die Primärstufen 104₂, 104₃ jeweils eine Klemmschaltung 200₂, 200₃ gemäß 9 und 10(a) umfassen. Das Klemmen der Schalterspannung bei der untersten Primärstufe 104₁ erfolgt dagegen wieder mit der Diode D_sn1, welche an den Pluspol des Eingangskondensators C_In3 angeschlossen ist.
Ausführungsbeispiel eines zwei stufigen Gleichspannungswandlers mit zwei Klemmschaltungen nach Variante B zum Klemmen auf das dreifache der Spannung eines Eingangskondensators
Bei dem anhand der in 18 beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde das Klemmen der Schalterspannung auf mehr als die doppelte Spannung eines Eingangskondensators C_Inn realisiert, indem für einen dreistufigen Gleichspannungswandler mehr als eine Klemmschaltung 200 verwendet wird. Bei weiteren Ausführungsbeispielen lässt sich das Klemmen der Schalterspannung auf eine höhere Spannung, beispielsweise auf die dreifache Spannung eines Eingangskondensators, unter Verwendung von nur zwei Stufen realisieren. 19 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers mit zwei in Reihe geschalteten Primärstufen, welche jeweils eine Klemmschaltung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung umfassen. Bei dem in 19 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Klemmschaltung gemäß 9 in Verbindung mit 10(a) aufgebaut. Die Klemmschaltungen 200₁ und 200₂ sind den Stufen 104₁ und 104₂ zugeordnet und die ersten Anschlüsse 202a₁ und 202a₂ der Kondensatoren C_sn1 bzw. C_sn2 sind über die Dioden D_sn1 bzw. D_sn2 mit den jeweiligen Knoten K3₁ bzw. K3₂ der zwei Primärstufen verbunden. Die Klemmschaltungen sind derart verschaltet, dass der erste Anschluss 200a₃ der ersten Klemmschaltung 200₁ mit dem Anschluss K1₂ der Parallelschaltung der zweiten Stufe 104₂, verbunden ist, welcher bei der dargestellten Ausführungsform den ersten Eingangsanschluss 100a des Gleichspannungswandlers bildet. Der zweite Anschluss 200b₁ der Klemmschaltung 200₁ ist mit dem zweiten Anschluss K2₂ der Parallelschaltung der zweiten Stufe bzw. dem ersten Anschluss K1₁ der Parallelschaltung der ersten Stufe verbunden. Die Klemmschaltung 200₂ der zweiten Stufe ist derart verschaltet, dass deren erster Anschluss 200a₃ ebenfalls mit dem Anschluss K1₂ verbunden ist, und der zweite Anschluss 200b₂ ist mit einem zweiten Anschluss K2₁ der Parallelschaltung der ersten Schaltung und damit mit dem zweiten Eingangsanschluss 100b des Gleichspannungswandlers verbunden.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen umfasst der Gleichspannungswandler eine oder mehrere Klemmschaltungen, wobei die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele umfassend eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Stufen mit zumindest zwei Klemmschaltungen jeweils Klemmschaltungen verwendeten, welche den gleichen Aufbau haben, also entweder einen Aufbau gemäß 8 oder gemäß 9 in Verbindung mit 10(a). An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf solche Ausgestaltungen beschränkt ist, vielmehr können die Klemmschaltungen Schaltungsanordnungen aufweisen, welche anstelle der Ausgestaltung gemäß 10(a) entsprechend den Ausführungsformen gemäß 10(b) oder gemäß 10(c) ausgebildet sind.
Bei der Ausführungsform gemäß 19 wird wie bei der Ausführungsform gemäß 18 die Schalterspannung der Schalter S_n auf die dreifache Spannung eines Eingangskondensators C_Inn geklemmt. Dies wird erreicht, obwohl die Anzahl der Primärstufen nur bei zwei liegt.
Bei Verwendung einer Klemmschaltung gemäß 9 und 10(a) gibt es zwei Varianten, um die Klemmspannung zu erhöhen. Bei der ersten Variante wird die Anzahl der Eingangskondensatoren C_Inn erhöht, welche parallel zu den zwei Dioden D_cl1n und D_cl2n liegen, wie es in 19 bei der oberen Primärstufe 104₂ der Fall ist.
Bei der zweiten Variante, welche in 19 bei der unteren Primärstufe zu sehen ist, liegen die zwei Dioden D_cl1n und D_cl2n zwar nur parallel zu einem Eingangskondensator C_Inn, dafür ist die obere Diode D_cl1n aber mit dem Knoten K1_n der oberen Primärstufe, also dem Knoten der nächst höheren Stufe verbunden.
Ausführungsbeispiel eines dreistufigen Gleichspannunaswandlers mit einer Klemmschaltung nach Variante A und einer Klemmschaltung nach Variante B zum Klemmen auf das dreifache der Spannung eines Eingangskondensators
Die vorliegende Erfindung ist ferner nicht auf Ausführungsformen beschränkt, bei der bei mehrstufigen Gleichspannungswandlern die Klemmschaltungen den gleichen Aufbau haben, also entweder gemäß 8 oder gemäß 9 ausgebildet sind. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Klemmschaltungen gemäß 8 und gemäß 9 kombiniert werden. 20 zeigt einen dreistufigen Gleichspannungswandler mit den Klemmschaltungen 200₂ und 200₃, wobei die Klemmschaltung 200₂ der Stufe 104₂ gemäß 8 und 10(a) aufgebaut ist, und die Klemmschaltung 200₃ der Stufe 104₃ gemäß 9 und 10(a) aufgebaut ist. Die Klemmschaltung 200₂ ist mit ihren ersten und zweiten Anschlüssen 200a₂ und 200b₂ zwischen die Eingänge 100a und 100b der in 20 dargestellten Gleichspannungswandlerschaltung geschaltet. Mit anderen Worten sind die Anschlüsse 200a₂ und 200b₂ mit dem ersten Anschluss K1₃ der Parallelschaltung der Stufe 104₃ bzw. dem zweiten Anschluss K2₁ der Parallelschaltung der ersten Stufe 104₁ verbunden. Die Anschlüsse 200a₃ und 200b₃ der Klemmschaltung 200₃ der dritten Stufe 104₃ sind mit dem Eingangsanschluss 100a des Gleichspannungswandlers gemäß 20 bzw. mit dem zweiten Anschluss K2₂ der Parallelschaltung der zweiten Stufe 104₂ bzw. dem ersten Anschluss K1₁ der Parallelschaltung der ersten Stufe 104₁ verbunden.
Bei dem in 20 gezeigten Ausführungsbeispiel verwendet der dargestellte Gleichspannungswandler zum einen die Klemmschaltung 200₂ gemäß 8 als auch die Klemmschaltung 200₃ gemäß 9. Die Spannung der Schalter S_n ist auch hier auf das dreifache der Spannung eines Eingangskondensators C_Inn begrenzt.
Wie bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen kann auch bei 20 diejenige Stufe, welche keine erfindungsgemäße Klemmschaltung umfasst, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die erste oder unterste Primärstufe 104₁, die Diode D_sn1 aufweisen, um die Schalterspannung des Schalters S₁ zu begrenzen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass bei der Beschreibung der obigen Ausführungsbeispiele alle Stufen, welche keine erfindungsgemäße Klemmschaltung aufweisen, die gerade erwähnte Diode zur Begrenzung der Schalterspannung besitzen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann auf diese Diode auch verzichtet werden, d. h., die Stufen ohne erfindungsgemäße Klemmschaltungen weisen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen keine zusätzlichen Dioden zum Klemmen der Schalterspannung auf, oder besitzen andere, nach dem Stand der Technik bekannte Klemmschaltungen, wie z.B. RLC-Snubber.
Ausführungsbeispiele zur Symmetrierung der Spannung an an den Eingangskondensatoren der Gleichspannungswandlerschaltung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, welche die Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren C_In der Gleichspannungswandlerschaltung ermöglichen. Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele ermöglichen die Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren eines Gleichspannungswandlers mit galvanischer Trennung, also mit Sekundärseite, wenn mehrere Primärseiten bzw. Primärstufen verwendet werden.
Magnetische Kopplung der primärseitigen Induktivitäten bzw. Wicklungen
Gemäß Ausführungsbeispielen können die primärseitigen Induktivitäten bzw. Wicklungen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele Primärwicklungen eines oder mehrerer Transformatoren sein, und zur Symmetrierung kann gemäß Ausführungsbeispielen eine magnetische Kopplung der primärseitigen Wicklungen vorgesehen sein. 21 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren durch eine magnetische Kopplung der primärseitigen Wicklungen von mehrstufigen Gleichspannungswandlern, nämlich die magnetische Kopplung der Induktivitäten L_Wp1 bis L_WpN.
Bei dem in 21 dargestellten Ausführungsbeispiel wird für alle Wicklungen L_Wpn der mehreren Primärstufen ein gemeinsamer magnetischer Kern K genutzt. Jede der Primärwicklungen L_Wpn besitzt die gleiche Anzahl von Windungen, so dass die magnetische Kopplung dafür sorgt, dass an jeder Wicklung L_Wpn die gleiche Spannung anliegt. Unterschiede der Spannungen an den Wicklungen sind nur durch das Vorhandensein der Streuinduktivität einer jeden Wicklung möglich und haben einen Stromfluss zur Folge.
Wenn die Schalter S_n der Primärstufen gleichzeitig leitend sind, wird an jede Primärwicklung die Spannung des Eingangskondensators C_Inn der jeweiligen Primärstufe angelegt. Sollten die Eingangskondensatoren unterschiedliche Spannungen aufweisen, bildet sich über die magnetisch gekoppelten Wicklungen ein Ausgleichstrom, wodurch eine Symmetrierung der Spannungen vorangetrieben wird. Der Ausgleichstrom fließt hierbei nur in den Primärwicklungen, weswegen auf die Darstellung der Sekundärwicklungen in 21 verzichtet wurde.
Bei Wandlern mit mehreren Transformatoren, also ohne magnetische Kopplung der Wicklungen ist eine unterschiedliche Windungsanzahl bei den Primärstufen grundsätzlich möglich, da in diesem Fall das Übersetzungsverhältnis mitentscheidend ist. Mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen der Transformatoren verschiedener Stufen kann man daher unterschiedliche Windungsanzahlen in den Primärstufen kompensieren und so trotzdem auf eine symmetrische Aufteilung der Wandler-Eingangsspannung auf die einzelnen Stufen erreichen.
Grundsätzlich ermöglicht die erfindungsgemäße Klemmschaltung auch die Nutzung unterschiedlicher Windungsanzahlen, hierdurch wird sich eine, entsprechend dem Verhältnis der Windungsanzahlen proportionale Aufteilung der Wandler-Eingangsspannung auf die einzelnen Stufen ergeben.
Elektrische Kopplung der sekundärseitigen Induktivitäten bzw. Wicklungen
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren durch eine direkte elektrische Kopplung der Sekundärwicklungen in Form einer Parallelschaltung erreicht werden. 22 zeigt ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Kopplung der Sekundärwicklungen durch Parallelschalten derselben. Ähnlich wie in 21 sind in 22 die primärseitigen Induktivitäten L_Wpn dargestellt, sowie die jeweils zugeordneten sekundärseitigen Induktivitäten bzw. Windungen L_Wsn. Bei der in 22 dargestellten Ausführungsform sind die Primärwicklungen magnetisch nicht gekoppelt, vielmehr sind die Sekundärwicklungen parallel geschaltet. Die Parallelschaltung der Sekundärwicklungen kann dann, beispielsweise über eine Gleichrichterschaltung 110 mit dem Ausgang 102 des Gleichspannungswandlers verbunden sein.
Wie in 22 dargestellt ist, kann mit einer Parallelschaltung der Sekundärwicklungen L_Wsn auch die Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren erreicht werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden mehrere magnetische Kerne bzw. mehrere Transformatoren verwendet, was z.B. bei sehr hohen Spannungen vorteilhaft sein kann, da sich die Isolation der Primärwicklungen einfacher gestaltet. Jeder Transformator besitzt hierbei das gleiche Übersetzungsverhältnis, die Windungsanzahl kann unterschiedlich sein. Wie auch bei der magnetischen Kopplung liegt durch die Parallelschaltung an jeder Primärwicklung die gleiche Spannung an. Unterschiede bei den Spannungen an den Wicklungen sind nur durch das Vorhandensein der Streuinduktivität einer jeden Wicklung möglich und haben einen Stromfluss zur Folge. Bei dieser Ausführungsform wirkt nicht nur die Streuinduktivität zwischen den Primärwicklungen, sondern auch die Streuinduktivität zu bzw. zwischen den Sekundärwicklungen, da der Ausgleichstrom auch über diese fließen muss.
Wenn die Schalter S_n der Primärzweige gleichzeitig leitend sind, wird an jede Primärwicklung die Spannung des Eingangskondensators C_Inn der jeweiligen Primärstufe angelegt. Sollten die Eingangskondensatoren unterschiedliche Spannungen aufweisen, wird sich über die elektrisch gekoppelten Sekundärwicklungen ein Ausgleichstrom ausbilden, wodurch sich auch auf der Primärseite ein Ausgleichstrom ausbildet und somit eine Symmetrierung der Spannungen bewirkt wird.
Gemäß einem wiederum weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt die Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren durch eine Parallelschaltung der DC-Ausgänge der Sekundärstufen. Ähnlich wie 22 zeigt auch 23 schematisch die Primärstufen mit den Primärwicklungen L_Wpn, wobei jeder Primärstufe, ähnlich wie in 22, eine Sekundärstufe L_Wsn zugeordnet ist. Ferner ist jeder Sekundärwicklung eine Gleichrichterschaltung 110_n zugeordnet und die entsprechenden Gleichspannungsausgänge 112_n der Gleichrichterschaltungen 110_n sind parallel geschaltet und mit dem Ausgang 102 der Schaltung verbunden.
Durch die Parallelschaltung der DC-Ausgänge 112₁, ... 112_N der Wandlerausgangsstufen kann eine Symmetrierung bzw. Stabilisierung der Spannungen über den Eingangskondensatoren herbeigeführt werden, wobei sich das Funktionsprinzip aber von dem bei der magnetischen Kopplung oder bei der bei Parallelschaltung der Sekundärwicklungen unterscheidet. Die Symmetrierung erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel über die Leistungsaufnahme der Primärstufen aus ihren jeweiligen Eingangskondensatoren. Unter der Annahme gleicher Übersetzungsverhältnisse bei allen Transformatoren, führt eine höhere Spannung eines Eingangskondensators für diese Primärstufe zur Übernahme eines größeren Anteils des Ausgangsstromes, wodurch auch die Stromaufnahme dieser Stufe auf der Primärseite steigt. Da durch die Reihenschaltung der Primärstufen nur ein gemeinsamer Strom von der Quelle bezogen werden kann, muss die Stromdifferenz in diesem Szenario von den Eingangskondensatoren übernommen werden, wodurch eine Umladung dieser und somit ein Angleichen Ihrer Spannungen stattfindet.
Gemäß wiederum weiteren Ausführungsbeispielen kann die Symmetrierung der Spannungen an den einzelnen Primärstufen durch die unabhängige Einregelung der Eingangsleistung einer jeden Primärstufe erfolgen.
24 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren durch Regelung der Leistung jeder Stufe. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 24 sind die primärseitigen Wicklungen L_Wpn mit jeweiligen sekundärseitigen Wicklungen L_Wsn gekoppelt, ohne dass eine magnetische Kopplung der primärseitigen Wicklungen vorliegt. Die sekundärseitigen Wicklungen L_Wsn sind in Serie verschaltet und die Anschlüsse der Serienschaltung sind über die Gleichrichterschaltung 110 mit dem Ausgang 102 des Gleichspannungswandlers verbunden.
25 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren durch die unabhängige Regelung der Leistung jeder Stufe, wobei aber anders als bei dem Ausgangsbeispiel gemäß 24 getrennte Ausgänge für die sekundärseitigen Stufen vorgesehen sind. Anders als in 24 sind die sekundärseitigen Wicklungen Lwsn voneinander getrennt und jeweils mit separaten Ausgängen 102₁ bis 102_N verbunden. Zwischen den Sekundärwicklungen und den jeweiligen Ausgängen ist jeweils eine Gleichrichterschaltung 110₁ bis 110_N vorgesehen.
Gemäß den in 24 und in 25 dargestellten Ausführungsbeispielen wird eine Symmetrierung der Spannungen über den Eingangskondensatoren durch eine Regelung der Übertragungsleistungen der einzelnen Primärstufen realisiert. Ziel ist es, das jede Primärstufe im Mittel die gleiche Leistung aufnimmt, wodurch die symmetrische Aufteilung der Quellenspannung auf die einzelnen in Reihe geschalteten Eingangskondensatoren sichergestellt ist. Für diese Betriebsart kommen verschiedene Schaltungsvarianten in Frage, z.B. die in 24 dargestellte Serienschaltung der Sekundärwicklungen, oder die in 25 dargestellte vollständige Trennung der Sekundärseiten.
Weitere Ausführugsbeispiele
Die vorliegende Erfindung schafft, wie zuvor anhand der beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, einen Gleichspannungswandler der ein Klemmen der Schalterspannung/en und ein Rückgewinnen der Energie aus der/den Streuinduktivität/en unter Verwendung der Klemmschaltungen gemäß 8 oder 9 ermöglicht.
Gemäß Ausführungsbeispielen

- kann die Gesamtschaltung aus einer oder mehreren Primärstufen bestehen,
- wird beim Klemmen der Schalterspannung auf das n-fache der Eingangsspannung U_Inn einer Stufe, n*U_Inn, nur bei n-1 Primärstufen eine Klemmschaltung gemäß 8 oder 9 benötigt,
- können alle anderen Primärstufen mit einer Diode vom ersten Anschluss 108an des Schalters S_n auf einen der Eingangskondensatoren einer höheren Primärstufe geklemmt werden, wobei beim Klemmen der Schalterspannung auf das n-fache der Eingangsspannung U_Inn einer Stufe, n*U_In, auf den Pluspol des Eingangskondensators C_Inn einer Stufe geklemmt wird, welcher n-1 Primärstufen höher liegt,
- kann je nach Anzahl der Primärstufen nicht nur auf das doppelte der Eingangsspannung U_Inn einer Stufe geklemmt werden, mit der Klemmschaltung gemäß 8 kann bei n Stufen auf bis zu n*U_In geklemmt werden, mit der Klemmschaltung gemäß 9 auf bis zu (n+1)*U_In, wobei
- o bei der Klemmschaltung gemäß 8 die Reihenschaltung der beiden Dioden D_cl1n und D_cl2n beim Klemmen auf n*U_In jeweils zwischen n Eingangskondensatoren geschaltet ist,
- o bei der Ausgestaltung der Klemmschaltung gemäß 9 nicht nur die Anzahl der Eingangskondensatoren, welche parallel zu ihrem ersten und zweiten Anschluss 200a und 200b in Reihe liegen, eine Rolle spielen, sondern auch, wie viele Stufen höher die Verbindung des ersten Anschlusses 200a im Vergleich zum dritten Anschluss 200c der Klemmschaltung gemäß 9 erfolgt (siehe z.B. die Ausführungsform gemäß 19), wobei die Summe C aus der Anzahl A von Eingangskondensatoren und der Anzahl B von Eingangskondensatoren dem Faktor entspricht, um welchen die Klemmspannung höher als die Spannung eines Eingangskondensators einer Stufe liegt, wobei
  - • die Anzahl A von Eingangskondensatoren diejenigen Eingangskondensatoren umfasst, welche parallel zum ersten und zweiten Anschluss 200a und 200b der Klemmschaltung gemäß 9 in Reihe liegen, und
  - • die Anzahl B von Eingangskondensatoren diejenigen Eingangskondensatoren umfasst, welche zwischen dem ersten Anschluss K1_n einer Parallelschaltung der Stufe, mit welchem der erste Anschluss 200a der Klemmschaltung verbunden ist, und dem zweiten Anschluss K2_n einer Parallelschaltungen der Stufe, deren Knotenpunkt K3_n mit dem dritten Anschluss 200c der Klemmschaltung gemäß 9 verbunden ist, liegt, und
- kann die Symmetrierung der Spannungen über den Eingangskondensatoren auf verschiedene Weise erfolgen, z.B. durch
- o eine magnetische Kopplung der Wicklungen,
- o eine elektrische. Kopplung der Sekundärwicklungen,
- o eine elektrische. Kopplung auf der Sekundärseite nach der Gleichrichtung,
- o im Mittel gleiche Leistungsaufnahme der einzelnen Primärstufen,
- können die Klemmschaltungen gemäß 8 und 9 kombiniert werden.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Induktivität L_n bzw. L_Wpn und der Schalter S_n einer Stufe so in Reihe verschaltet, dass der Schalter S_n einer Stufe zwischen den zweiten Anschluss 104b_n der Stufe 104_n und der Induktivität L_n bzw. L_Wpn geschaltet ist. Ein solcher Aufbau wird z.B. gewählt, wenn der Schalter S_n durch einen N-Ch-MOSFET realisiert wird.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen sind die Induktivität L_n bzw. L_Wpn und der Schalter S_n einer Stufe so in Reihe verschaltet, dass der Schalter S_n einer Stufe zwischen den ersten Anschluss 104an der Stufe 104_n und der Induktivität L_n bzw. L_Wpn geschaltet ist. Ein solcher Aufbau wird z.B. gewählt, wenn der Schalter S_n durch einen P-Ch-MOSFET realisiert wird.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen umfasst ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler eine Steuerung, welche mit Steueranschlüssen der aktiv ansteuerbaren Schaltelementen verbunden ist, um geeignete Signale zum Schalten derselben in den leitenden oder sperrenden Zustand anzulegen. Die Steuerung kann z.B. in Form eines Mikrocontrollers ausgestaltet sein.
Obwohl einige Aspekte des beschriebenen Konzepts im Kontext eines Geräts beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder ein Gerät einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, welche im Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder einer Vorrichtung oder eines Merkmals eines entsprechenden Geräts dar.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich illustrativ für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Details für Fachleute offensichtlich sind. Die Erfindung wird daher nur durch den Umfang der nachstehenden Patentansprüche begrenzt, nicht durch die spezifischen Details in der obigen Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsführungsbeispiele.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10135344 B2 [0008]
DE 3634990 A1 [0008]
US 5734563 A [0008, 0014]
US 4959764 A [0008, 0009, 0024, 0026, 0068]
DE 102016117936 A1 [0008, 0015, 0024, 0027, 0084]
US 4975821 A [0014]
US 5126931 A [0014]
US 5173846 A [0014]
US 5303138 A [0014]
US 5528482 A [0014]
DE 4422409 A1 [0021, 0027]

Claims

Gleichspannungswandler, mit: zumindest einer Stufe, wobei jede Stufe eine Parallelschaltung aus einem Eingangskondensator (C_In) und einer Reihenschaltung, welche zumindest eine Induktivität (L_Wp) und zumindest einen Schalter (S_n) aufweist, umfasst, wobei die Parallelschaltung der Stufe einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss mit dem Eingangskondensator (C_In) und der Induktivität (L_Wp) der Stufe verbunden ist, und wobei der zweite Anschluss der Parallelschaltung mit dem Eingangskondensator (C_In) und dem Schalter (S_n) der Primärstufe verbunden ist; wobei zumindest eine der Stufen eine Klemmschaltung umfasst, wobei die Klemmschaltung einen Energiepuffer (C_sn) umfasst, welcher einen ersten Anschluss, welcher mit einem Knoten zwischen der Induktivität (L_Wp) und dem Schalter (S_n) der Stufe verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, und wobei die Klemmschaltung ausgebildet ist, den zweiten Anschluss des Energiepuffers (C_sn) • während zumindest eines Teils eines sperrenden Zustandes des Schalters (S_n) der Stufen mit dem ersten Anschluss der Parallelschaltung einer der Stufen zu verbinden, und • während zumindest eines Teils eines leitenden Zustandes des Schalters (S_n) der Stufen über einen von dem Schalter der Stufe separaten Pfad mit dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung einer der Stufen zu verbinden.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1, mit nur einer Stufe, welche die Klemmschaltung umfasst, wobei die Klemmschaltung ausgebildet ist, den zweiten Anschluss des Energiepuffers • während zumindest eines Teils eines sperrenden Zustandes des Schalters (S_n) der Stufe mit dem ersten Anschluss der Parallelschaltung der Stufe zu verbinden, und • während zumindest eines Teils eines leitenden Zustandes des Schalters der Stufe über eine von dem Schalter (S_n) der Stufe separaten Pfad mit dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung der Stufe zu verbinden.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1, mit zumindest N in Reihe geschalteten Stufen, mit N ≥ 2, wobei zumindest eine n-te Stufe die Klemmschaltung umfasst, mit n = 1, ..., N, wobei der erste Anschluss des Energiepuffers (C_snn) der Klemmschaltung mit einem Knoten zwischen der Induktivität (L_Wpn) und dem Schalter (S_n) der n-ten Stufe verbunden ist, und wobei die Klemmschaltung ausgebildet ist, den zweiten Anschluss des Energiepuffers (Csnn) • während eines sperrenden Zustandes der Schalter (S₁... S_N) der N Stufen mit dem ersten Anschluss der Parallelschaltung der n-ten Stufe oder mit dem ersten Anschluss der Parallelschaltung einer beliebigen der in Reihe geschalteten Stufen zu verbinden, und • während eines leitenden Zustandes der Schalter (S₁... S_N) der N Stufen über einen von den Schaltern (S_n) separaten Pfad mit dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung der n-ten Stufe oder mit dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung einer beliebigen der in Reihe geschalteten Stufen zu verbinden.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 3, bei dem zumindest zwei der N Stufen jeweils eine Klemmschaltung umfassen, wobei die Klemmschaltungen ausgebildet sind, die zweiten Anschlüsse der Energiepuffer (C_sn1... C_snn) • während eines sperrenden Zustandes der Schalter (S₁... S_N) der N Stufen mit dem ersten Anschluss der Parallelschaltung gleicher oder verschiedener Stufen zu verbinden, und • während eines leitenden Zustandes der Schalter (S₁... S_N) der N Stufen über einen von den Schaltern (S_n) separaten Pfad mit dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung gleicher oder verschiedener Stufen zu verbinden.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 4, bei dem die Klemmschaltungen einen gleichen oder unterschiedlichen Aufbau haben.
Gleichspannungswandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Klemmschaltung folgende Merkmale umfasst: einen ersten Anschluss, welcher mit dem ersten Anschluss der Parallelschaltung einer der Stufen verbunden ist, einen zweiten Anschluss, welcher mit dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung einer der Stufen verbunden ist, einen dritten Anschluss, welcher mit dem Knoten zwischen der Induktivität und dem Schalter der Stufe verbunden ist, und eine Schaltungsanordnung, welche ausgebildet ist, den zweiten Anschluss des Energiepuffers (C_sn), bei sperrendem Schalter (S_n) in den Stufen mit dem ersten Anschluss der Klemmschaltung, und bei leitendem Schalter (S_n) in den Stufen mit dem zweiten Anschluss der Klemmschaltung zu verbinden.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 6, bei dem die Schaltungsanordnung der Klemmschaltung folgende Merkmale umfasst: eine Reihenschaltung, welche zumindest eine erste Diode (D_cl1) und eine zweite Diode (D_cl2) aufweist, wobei die Reihenschaltung zwischen den ersten Anschluss der Klemmschaltung und den zweiten Anschluss der Klemmschaltung geschaltet ist, wobei der zweite Anschluss des Energiepuffers (C_sn) mit einem Knoten zwischen der ersten Diode (D_cl1) und der zweiten Diode (D_cl2) verbunden ist, oder eine Reihenschaltung, welche zumindest einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweist, wobei die Reihenschaltung zwischen den ersten Anschluss der Klemmschaltung und den zweiten Anschluss der Klemmschaltung geschaltet ist, wobei der zweite Anschluss des Energiepuffers (C_sn) mit einem Knoten zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter verbunden ist, oder einen Schalter, um den zweiten Anschluss des Energiepuffers (C_In) wahlweise mit dem ersten Anschluss der Klemmschaltung oder mit dem zweiten Anschluss der Klemmschaltung zu verbinden.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 7, bei dem die Klemmschaltung ferner folgende Merkmale umfasst: ein erstes Schaltungselement (D_sn), z.B. in Form zumindest eines Schalters oder zumindest einer Diode, welches zwischen den ersten Anschluss des Energiepuffers (C_sn) und den dritten Anschluss der Klemmschaltung geschaltet ist; und ein zweites Schaltungselement (S_sn), z.B. in Form zumindest eines Schalters, welches zwischen den ersten Anschluss des Energiepuffers (C_sn) und den ersten Anschluss der Klemmschaltung geschaltet ist.
Gleichspannungswandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zumindest eine Stufe eine Primärstufe des Gleichspannungswandlers ist, deren Induktivität eine Primärwicklung eines Transformators oder zumindest eine Primärwicklung eines der mehreren Transformatoren ist, und der Gleichspannungswandler zumindest eine Sekundärstufe umfasst, welche zumindest eine Induktivität umfasst, welche zumindest eine Sekundärwicklung des einen Transformators oder der mehreren Transformatoren ist.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 9, mit zumindest einem elektrischen Ausgang, wobei die Sekundärstufen parallel oder seriell mit dem elektrischen Ausgang verschaltet sind.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 9, bei dem jede der Sekundärstufen einen elektrischen Ausgang umfasst.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, mit einer oder mehreren sekundärseitigen Gleichrichterschaltungen.
Gleichspannungswandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Induktivitäten von in Reihe verschalteten Stufen magnetisch gekoppelt sind, z.B. durch einen gemeinsamen magnetischen Kern.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 13, bei dem die Induktivitäten von in Reihe verschalteten Stufen die gleiche Anzahl von Windungen umfassen.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 13, bei dem die Induktivitäten von in Reihe verschalteten Stufen unterschiedliche Anzahlen von Windungen umfassen.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Induktivitäten von in Reihe verschalteten Stufen magnetisch nicht gekoppelt sind.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 16, bei dem die Induktivitäten der mehreren Transformatoren eine unterschiedliche Windungsanzahl aufweisen, und die Übersetzungsverhältnisse der jeweiligen Transformatoren gewählt sind, um die unterschiedlichen Windungsanzahlen in den Primärstufen zu kompensieren.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 16, bei dem die Induktivitäten der mehreren Transformatoren die gleiche Anzahl von Windungen umfassen.
Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers, welcher zumindest eine Stufe und zumindest eine Klemmschaltung mit einem Energiepuffer (C_sn) umfasst, wobei jede Stufe eine Parallelschaltung aus einem Eingangskondensator (C_In) und einer Reihenschaltung, welche zumindest eine Induktivität (L_Wp) und zumindest einen Schalter (S_n) aufweist, umfasst, wobei die Parallelschaltung der Stufe einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss mit dem Eingangskondensator (C_In) und der Induktivität (L_Wp) der Stufe verbunden ist, und wobei der zweite Anschluss der Parallelschaltung mit dem Eingangskondensator (C_In) und dem Schalter (S_n) der Primärstufe verbunden ist, wobei die Klemmschaltung einen ersten Anschluss, welcher mit dem ersten Anschluss der Parallelschaltung einer der Stufen verbunden ist, einen zweiten Anschluss, welcher über einen von den Schaltern der Stufen separaten Pfad mit dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung einer der Stufen verbunden ist, und einen dritten Anschluss, welcher mit dem Knoten zwischen der Induktivität und dem Schalter der Stufe verbunden ist, umfasst, und wobei ein erster Anschluss des Energiepuffers (C_sn) mit dem dritten Anschluss der Klemmschaltung verbunden ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: wiederholtes, z.B. zyklisches oder periodisches, Umschalten des Schalters (S_n) der Stufen zwischen einem sperrenden Zustand und einem leitenden Zustand; während zumindest eines Teils eines sperrenden Zustandes des Schalters (S_n) der Stufen, Verbinden des zweiten Anschlusses des Energiepuffers (C_sn) mit dem ersten Anschluss der Klemmschaltung, und während zumindest eines Teils eines leitenden Zustandes des Schalters (S_n) der Stufen, Verbinden des zweiten Anschlusses des Energiepuffers (C_sn) mit dem zweiten Anschluss der Klemmschaltung.
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem der erste Anschluss des Energiepuffers (C_sn) direkt oder über ein schaltendes Element, z.B. einen Schalter oder eine Diode, mit dem dritten Anschluss der Klemmschaltung verbunden ist.