DE102021201103A1 - DC VOLTAGE CONVERTER - Google Patents

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Jörg Bornwasser
Heribert Schmidt
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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.

Figure DE102021201103A1_0000
A DC-DC converter according to the invention comprises at least one stage. Each stage comprises a parallel circuit made up of an input capacitor (C In ) and a series circuit which has at least one inductance (L) and at least one switch (S 1 ). The parallel connection of the stage includes a first connection and a second connection. The first terminal is connected to the input capacitor (C In ) and the inductor (L) of the stage, and the second terminal of the parallel circuit is connected to the input capacitor (C In ) and the switch (S 1 ) of the primary stage. At least one of the stages includes a clamp circuit. The clamp circuit includes an energy buffer (C sn ) having a first terminal connected to a node between the inductor (L) and the switch (S 1 ) of the stage and a second terminal. The clamping circuit is designed to connect the second terminal of the energy buffer (C sn )
• during at least part of a blocking state of the switch (S 1 ) of the stages to connect to the first terminal of the parallel circuit of one of the stages, and
• to connect during at least part of a conducting state of the switch (S 1 ) of the stages to the second connection of the parallel circuit of one of the stages via a separate path from the switch of the stage.
Figure DE102021201103A1_0000

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

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.The present invention relates to the field of DC-DC converters, in particular to single- or multi-stage converter topologies, e.g. flyback converters, forward converters or push-pull converters, without galvanic isolation, which use inductive components, e.g Use components, e.g. transformers, as energy-transmitting components.

Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention

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 CIn geschaltet ist, und einen Ausgang 102 mit den Ausgangsanschlüssen 102a und 102b, zwischen die ein Ausgangskondensator COut geschaltet ist. Ferner umfasst der Sperrwandler einen Transformator Tr1, welcher eine erste oder primärseitige Spule oder Induktivität LWp1 und eine zweite oder sekundärseitige Spule oder Induktivität LWp2 umfasst, welche z.B. elektrisch oder magnetisch miteinander gekoppelt sind. Eine primärseitige Reihen- oder Serienschaltung umfassend die primärseitige Spule LWp1 und einen Schalter S1 ist zwischen die Eingangsanschlüsse 100a, 100b geschaltet bzw. ist zu dem Eingangskondensator CIn parallelgeschaltet. Ein erster Anschluss der primärseitigen Spule LWp ist mit dem Eingangsanschluss 100a verbunden, ein zweiter Anschluss der primärseitigen Spule LWs 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 LWs ist mit dem Ausgangsanschluss 102b verbunden.A well-known topology of a DC-DC converter in the form of a flyback converter with galvanic isolation is described, for example, by U. Tietze and C. Schenk in semiconductor circuit technology, Springer-Verlag, 12th edition, year 2002, chapter 16.7.1 single-ended converter, pages 952-954 , ISBN3540428496 and is described in 1 shown. The flyback converter includes an input 100 having input terminals 100a and 100b between which an input capacitor C In is connected, and an output 102 having output terminals 102a and 102b between which an output capacitor C Out is connected. Furthermore, the flyback converter includes a transformer Tr 1 , which includes a first or primary-side coil or inductor L Wp1 and a second or secondary-side coil or inductor L Wp2 , which are electrically or magnetically coupled to one another, for example. A series circuit on the primary side comprising the coil L Wp1 on the primary side and a switch S 1 is connected between the input terminals 100a, 100b or is connected in parallel with the input capacitor C In . A first terminal of primary side coil L Wp is connected to input terminal 100a, a second terminal of primary side coil L Ws is connected to a first terminal of switch S 1 , and a second terminal of switch S 1 is connected to input terminal 100b. A secondary-side series circuit comprising the secondary-side coil Lws and a diode D 1 is connected between the output terminals 102a, 102b or is connected in parallel with the output capacitor Cout. A first terminal of the secondary side coil Lws is connected to the anode terminal of the diode D 1 , the cathode terminal of the diode D 1 is connected to the output terminal 102a, and a second terminal of the secondary side coil Lws is connected to the output terminal 102b.

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 UIn mit dem Eingangskondensator CIn gepuffert und über den getakteten Schalter S1 an die Primärwicklung LWp des Transformators Tr1 gelegt. Die Schaltfrequenz liegt dabei typischerweise im Bereich mehrerer Kilo- bis Megahertz. Bei leitendem Schalter S1 baut sich in der Primärwicklung LWp 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 LWp als auch der Sekundärwicklung LWs 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 UIn und Ausgangsspannung UOut 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.the inside 1 The flyback converter shown is used, for example, in large numbers as a DC voltage converter, DC/DC converter, in the power range up to a few 100 watts, if galvanic isolation between the input and output side is required, see above. E.g. in power supply units of PCs or chargers for portable devices. At the in 1 In the circuit shown, an input voltage U In is buffered with the input capacitor C In and applied to the primary winding L Wp of the transformer Tr 1 via the clocked switch S 1 . The switching frequency is typically in the range of several kilohertz to megahertz. When the switch S 1 is conductive, a current builds up in the primary winding L Wp and energy is stored in the magnetic circuit of the transformer Tr 1 . The secondary-side diode D 1 is in the blocking state in this first section of the switching period, since it is operated in the reverse direction due to the winding sense of the transformer Tr 1 . In the second section of the switching period, the switch S 1 goes into the blocking state and due to the self-induction both the voltage of the primary winding L Wp and the secondary winding L Ws reverse. The diode D 1 is then forward-biased and the energy previously stored in the magnetic circuit is, depending on the operating mode, wholly or partly transferred to the output capacitor Cout. The output capacitor Cout buffers the output voltage Uout so that a stable output voltage Uout is available despite the discontinuous energy transfer. The ratio of the input voltage U In and the output voltage U Out can be specified by the choice of the transformation ratio ü of the transformer Tr 1 . The output voltage Uout is regulated by varying the duration of the conductive state or the on time of the switch S 1 in relation to the duration of its switching period, the so-called duty cycle.

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.
When using the 1 In the flyback converter topology described, the core material is used inefficiently due to the one-sided, magnetic modulation of the transformer core, so that economic use is limited to low outputs in the range of less than 1 kW. With greater power, the costs for control and the switches, which are very low in a flyback converter, play an increasingly smaller role. On the other hand, the cost of the transformer with its copper windings and magnetic core plays an increasingly important role, and the poor utilization of this component in the flyback converter makes the topology for higher powers increasingly unattractive.
Another limiting factor for using the flyback converter at higher power levels is its relatively low transfer efficiency, which increases the effort required to dissipate the heat loss. One reason for the limited efficiency of the topology is described below.

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.In a real transformer, the primary and secondary windings are not ideally coupled. Some of the energy is therefore not transferred to the secondary side of the transformer but is stored in the leakage inductances. Together with parasitic capacitances, such as the capacitance of the primary-side switch or the winding capacitance of the transformer, the stray inductances form an oscillating circuit.

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.When the switch on the primary side is switched off or when it changes to the blocking state, oscillations occur within this oscillating circuit and thus also across the switch. The amplitude of the oscillations can be significant and the frequency of the oscillation is often more than a decade above the switching frequency of the converter. Without suitable measures to dampen the vibration or limit the magnitude of the switch voltage, the switch can fail or become defective.

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.A countermeasure known from the prior art for damping the oscillation is the so-called snubber circuit, which absorbs the energy from the leakage inductance, thereby limiting the magnitude of the voltage overshoot and at the same time reducing the duration of the oscillation. A variety of snubber circuits are known. Some convert 100% of the energy from the leakage inductances to heat, thereby increasing the converter's losses. Many snubber circuits react inflexibly to voltage changes at the input of the converter, and their dampening effect cannot therefore be limited to the undesired oscillation alone in all work areas. A part of the primarily available energy is therefore immediately converted into heat without being stored in the leakage inductance beforehand. With low-loss snubbers, also referred to as lossless or regenerative snubbers, it is possible to recover part of the electrical energy from the leakage inductances for the circuit, but this is associated with considerable additional effort and additional costs.

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.Exemplary snubber circuits are, for example, in U.S. 10,135,344 B2 , the DE 36 34 990 A1 , the U.S. 5,734,563 A , the U.S.A. 4,959,764 or the DE 10 2016 117 936 A1 described.

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 LWp verbunden, und der zweite Anschluss der primärseitigen Spule LWp ist mit dem Eingangsanschluss 100b verbunden.For single-stage converters, the U.S.A. 4,959,764 considered, from which the in 2 shown flyback converter topology with galvanic isolation. The flyback converter topology according to 2 essentially corresponds to the in 1 illustrated topology. Unlike in 1 For example, the first terminal of switch S 1 is connected to input terminal 100a, the second terminal of switch S 1 is connected to the first terminal of primary side inductor L Wp , and the second terminal of primary side inductor L Wp is connected to input terminal 100b.

Ferner umfasst die Topologie primärseitig eine weitere Reihenschaltung umfassend einen Snubber-Kondensator Csn und einen Snubber-Schalter Ssn, welche parallel mit der primärseitigen Spule LWp verschaltet ist. Ein erster Anschluss des Snubber-Kondensator Csn ist mit dem ersten Anschluss der primärseitigen Spule LWp verbunden, ein zweiter Anschluss des Snubber-Kondensator Csn ist mit einem ersten Anschluss des Snubber-Schalters Ssn verbunden, und ein zweiter Anschluss des Snubber-Schalters Ssn ist mit dem zweiten Anschluss der primärseitigen Spule LWp 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 LWs 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.Furthermore, the topology includes, on the primary side, a further series circuit comprising a snubber capacitor C sn and a snubber switch S sn , which is connected up in parallel with the coil L Wp on the primary side. A first terminal of the snubber capacitor C sn is connected to the first terminal of the primary side coil L Wp , a second terminal of the snubber capacitor C sn is connected to a first terminal of the snubber switch S sn , and a second terminal of the snubber Switch S sn is connected to the second terminal of the primary-side coil L Wp . A further diode D 2 and a further coil or inductance L 1 are provided on the secondary side. The cathode of the further diode D 2 is connected to the cathode of the diode D 1 or the first output connection 102a. The anode of the further diode D 2 is connected to the second terminal of the coil L Ws on the secondary side. Furthermore, the anode of the further diode D 2 or the second terminal of the secondary-side coil Lws is connected to the second output terminal 102b via the further coil L1.

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.In 2 the switches are shown as metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, MOSFETs, with an anti-parallel body diode. In 2 also shows the parasitic capacitance of the MOSFET.

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).The switches mentioned in the present description enable a bidirectional current flow in the conducting state. A diode is therefore connected in parallel with switches that cannot manage this bidirectional current flow themselves. In the present description, the switches used are also shown in simplified form, e.g. by the in 3(a) shown simplified representation of a switch, which can be implemented in practice by a semiconductor switch, eg by a MOSFET with body diode, see 2 and 3(b) , by an insulated-gate bipolar transistor (IGB-T), with external anti-parallel diode, see 3(c) , or by a bipolar transistor (English bipolar junction transistor), BJT, with external, anti-parallel diode, see 3(d) .

Der DC/DC-Wandler gemäß 2 verwendet einen zusätzlichen Schalter Ss, auf der Primärseite. Die Schaltung ermöglicht eine hohe Effektivität bei der Rückgewinnung der Energie aus der Streuinduktivität. Zusätzlich wirkt die Bodydiode des Schalters Ssn in Verbindung mit dem Kondensator Csn als zuverlässige Spannungsbegrenzung für den Schalter S1. Weiterhin kann durch geeignete Ansteuerung des Schalters Ssn ein Zero-Voltage-Switching für den Hauptschalter S1 erzielt werden. Damit sich der Kondensator Csn durch die Energieaufnahme aus der in 2 nicht gezeigten Streuinduktivität der Transformatorwicklung LWp nicht immer weiter auflädt, wird der Schalter Ssn in der sperrenden Phase von S1 aktiviert und erlaubt hierdurch eine Umkehr der Stromrichtung im Kondensator Csn und in der Magnetisierungsinduktivität LWp des Transformators, wodurch auch das Zero-Voltage-Switching erreicht werden kann.The DC/DC converter according to 2 uses an additional switch, S s , on the primary side. The circuit allows high efficiency in recovering the energy from the leakage inductance. In addition, the body diode of the Switch S sn in conjunction with the capacitor C sn as a reliable voltage limitation for the switch S 1 . Furthermore, a zero-voltage switching for the main switch S 1 can be achieved by suitable control of the switch S sn . In order for the capacitor C sn to expand due to the energy absorption from the in 2 If the leakage inductance (not shown) of the transformer winding L Wp does not continue to charge, the switch S sn is activated in the blocking phase of S 1 and thereby allows a reversal of the current direction in the capacitor C sn and in the magnetizing inductance L Wp of the transformer, which also causes the zero Voltage switching can be achieved.

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.Similar circuits are for example in the U.S. 4,975,821A , the U.S. 5,126,931A , the U.S. 5,173,846 A , the U.S. 5,303,138 A , the U.S. 5,528,482 A or the U.S. 5,734,563 A described.

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 CIn1-CIn4 und einer Reihenschaltung, welche die primärseitige Induktivität LWp1-LWp4 und den Schalter S1-S4 aufweist. Die Eingangskondensatoren CIn1-CIn4 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 LWpn einer Stufe 104n ist mit dem ersten Anschluss 104an bzw. mit dem ersten Anschluss des Eingangskondensators CInn verbunden, der zweite Anschluss 106bn der primärseitigen Induktivität LWpn einer Stufe 104n ist mit dem ersten Anschluss 108an des Schalters Sn verbunden, und der zweite Anschluss 108bn des Schalters Sn ist mit dem zweiten Anschluss 104bn der Stufe bzw. mit dem zweiten Anschluss des Eingangskondensators CInn verbunden.For multi-stage converter is an example DE 10 2016 117 936 A1 considered, from which the in 4 illustrated multi-stage flyback converter topology with galvanic isolation can be removed. 4 shows a topology with four stages 104 1 -104 4 connected in series on the primary side. The secondary is in 4 not shown. Each stage 104 1 -104 4 comprises a parallel circuit made up of the input capacitor C In1 -C In4 and a series circuit which has the primary-side inductance L Wp1 - L Wp4 and the switch S 1 -S 4 . The input capacitors C In1 -C In4 are connected in series between the input terminals 100a, 100b of the input 100. The parallel circuit of each stage 104 1 -104 4 includes a first port 104a 1 -104a 4 and a second port 104b 1 -104b 4 . The first connection 106an (n=1, 2, 3, 4, . . . N) of the primary-side inductance L Wpn of a stage 104 n is connected to the first connection 104an or to the first connection of the input capacitor C Inn , the second connection 106b n of the primary side inductance L Wpn of a stage 104 n is connected to the first terminal 108an of the switch S n and the second terminal 108b n of the switch S n is connected to the second terminal 104b n of the stage and to the second terminal of the input capacitor, respectively Connected to C Inn .

Ferner umfasst die in 4 dargestellte mehrstufige Sperrwandler-Topologie die Kondensatoren Cc1-Cc3, 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 LWp1-LWp4 bzw. zwischen die ersten Anschlüsse 108a der Schalter S1-S4. Zusätzlich umfasst die Schaltung die Diode DClamp, dort als Klemmdiode bezeichnet, deren Anode mit dem zweiten Anschluss 106b2 der primärseitigen Induktivität LWp2 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.Furthermore, the in 4 illustrated multi-stage flyback converter topology, the capacitors C c1 -C c3 , referred to there as synchronization capacitors, which are each connected between the terminals 106b and 108a of adjacent stages, i.e. between the second terminals 106b of the primary-side inductance L Wp1 -L Wp4 or between the first terminals 108a of switches S 1 -S 4 . In addition, the circuit includes the diode D Clamp , referred to there as a clamping diode, whose anode is connected to the second connection 106b 2 of the primary-side inductance L Wp2 or the first connection 108a 2 of the switch S 2 of the second stage 104 2 , and whose cathode is connected to the first port 104a 3 of the third stage 104 3 and the second port 104b 4 of the fourth stage 104 4 .

In der in 4 dargestellten Schaltung sind die Stufen bzw. Primärstufen 104n in Reihe geschaltet und von einem ersten Anschluss 108an des Schalters Sn zum nächsten befindet sich jeweils ein Kondensator Ccn, 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 DClampfür die Begrenzung der Schalterspannung. Hierbei wird die Energie aus den Streuinduktivitäten der Primärwicklungen LWpn zu einem Teil in den Kondensatoren Ccn aufgenommen, ein anderer Teil fließt über die Diode DClampdirekt in die Eingangskondensatoren CInn zurück.in the in 4 In the circuit shown, the stages or primary stages 104 n are connected in series and there is a capacitor C cn from each first terminal 108an of the switch S n to the next, thereby resisting a voltage change across the same within a switching period, and therefore in connection with the one can also speak of a rectification of the switch voltage over a period of stable voltage of the input capacitors. The logic signal of the switches S 1 -S 4 is the same for all switches, so that all switches conduct and block at the same time. When the switches go into the off state, the diode D Clamp provides the limit on the switch voltage. In this case, part of the energy from the leakage inductances of the primary windings L Wpn is absorbed in the capacitors Ccn, while another part flows directly back into the input capacitors C Inn via the diode D Clamp .

Wenn die Schalter zusammen in den leitenden Zustand wechseln, wird jeder Kondensator Ccn parallel zu einem der Eingangskondensatoren CInn geschaltet, wodurch sich die Spannung der Kondensatoren angleicht und die von den Kondensatoren Ccn aufgenommene Energie durch einen Ladungspumpen-Prozess über die leitenden Schalter Sn auf die Eingangskondensatoren CInn übertragen wird. Letzteres verhindert eine Überladung der Kondensatoren Ccn und sorgt des Weiteren für eine stabile Klemmspannung.When the switches turn conductive together, each capacitor C cn is connected in parallel with one of the input capacitors C Inn , equalizing the voltage of the capacitors and dissipating the energy absorbed by the capacitors C cn by a charge pumping process across the conductive switches S n is transferred to the input capacitors C Inn . The latter prevents overcharging of the capacitors C cn and also ensures a stable clamping voltage.

Die Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren CInn erfolgt auf zwei Wegen. Zum einen sorgt die magnetische Kopplung der Wicklungen LWpn während der leitenden Phase der Schalter Sn für ein Angleichen der Spannungen. Durch die magnetische Kopplung liegt an jeder Wicklung LWpn 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 CInn und somit zur Symmetrierung der Spannungen über den Eingangskondensatoren CInn.The voltages at the input capacitors C Inn are balanced in two ways. On the one hand, the magnetic coupling of the windings L Wpn ensures that the voltages are equalized during the conducting phase of the switches S n . Due to the magnetic coupling, the same voltage is applied to each winding L Wpn , differences are only possible due to the presence of a leakage inductance between the windings and result in a current flow. This current flow ensures a charge exchange between the input capacitors C Inn and thus the balancing of the voltages across the input capacitors C Inn .

Zum anderen sorgt auch der Ladungspumpen-Prozess für eine Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren CInn. So würde z.B. eine geringere Spannung an einem der Eingangskondensatoren CInn durch den Ladungspumpen-Prozess während der leitenden Phase der Schalter Sn auch zu einer geringeren Spannung über dem zugehörigen Kondensator Ccn führen. Dies hätte wiederum zu Folge, dass sich während der sperrenden Phase der Schalter Sn über der Streuinduktivität der zugehörigen Wicklung LWpn weniger Spannung aufbauen kann, folglich wird die Abgabe der Energie aus dieser Streuinduktivität mehr Zeit in Anspruch nehmen. Hierdurch fließt über den zugehörigen Kondensator Ccn länger ein Strom, sodass dieser mehr Ladung aufnimmt. Bei der nächsten leitenden Phase der Schalter Sn wird diese Ladung über den Ladungspumpen-Prozess an den zugehörigen Eingangskondensator CInn weitergegeben. Da der zugehörige Eingangskondensator CInn 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.On the other hand, the charge pump process also ensures that the voltages at the input capacitors C Inn are balanced. For example, a lower voltage across one of the input capacitors C Inn would cause the charge pump pen process during the conducting phase of the switches S n also lead to a lower voltage across the associated capacitor C cn . This would in turn mean that less voltage can build up across the leakage inductance of the associated winding L Wpn during the blocking phase of the switch S n , so it will take more time to release the energy from this leakage inductance. As a result, a current flows longer through the associated capacitor C cn , so that it absorbs more charge. During the next conducting phase of the switches S n , this charge is passed on to the associated input capacitor C Inn via the charge pump process. Since the associated input capacitor C Inn receives more charge than that of the other primary stages, its voltage swing is also larger during this charge pumping process, which promotes the balancing of the voltages across the input capacitors.

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.Furthermore, be on the DE 44 22 409 A1 referred, which describes a method and a device for charge exchange between a plurality of series-connected energy storage devices or energy converters. Also from the DE 44 22 409 A1 it is known to provide capacitors between the series-connected energy stores, which absorb the energy stored in the leakage inductances and return it without loss, so that the circuit can reliably prevent voltage peaks from occurring across the switches.

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.Proceeding from the prior art described above, the object of the present invention is to provide a DC-DC converter and a method to avoid the disadvantages identified in the above-described, known DC-DC converters with capacitors connected between the stages and described below.

Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1, und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.This object is achieved by a DC-DC converter according to claim 1 and by a method according to claim 15.

Figurenlistecharacter list

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.
Embodiments of the present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a known flyback converter topology with galvanic isolation,
  • 2 a flyback converter topology with galvanic isolation according to the U.S.A. 4,959,764 ,
  • 3 the simplified representation of a switch used in this description, see 3(a) and examples of semiconductor switches which can be used in practice, see 3(b) , 3(c) and 3(d) ,
  • 4 a flyback converter topology with galvanic isolation according to the DE 10 2016 117 936 A1 ,
  • 5 the current paths in the circuit 4 , if, after a conducting phase of all switches, one switch is the last to switch to the blocking state,
  • 6 a first exemplary embodiment of the present invention, according to which the clamping circuit according to the invention is implemented in a single-stage DC-DC converter circuit,
  • 7 an embodiment of the present invention, according to which the clamping circuit according to the invention is used in a multi-stage DC-DC converter topology,
  • 8th an embodiment of the clamping circuit according to the invention,
  • 9 another embodiment of the clamp circuit according to the invention,
  • 10 various exemplary embodiments of the circuit arrangement of the clamping circuit according to FIG 8th or 9 ,
  • 11 an embodiment of a single-stage DC-DC converter, which according to the clamp circuit of the invention 9 has, in which the circuit arrangement has a structure according to 10(a) Has,
  • 12 an embodiment of a DC-DC converter with two stages, in which the second stage has a clamp circuit, which according to 8th combined with 10(a) is constructed,
  • 13 a further embodiment of a multi-stage DC-DC converter according to the present invention,
  • 14 yet another exemplary embodiment of a DC/DC converter according to the invention with a plurality of stages, in which a clamping circuit is provided in a number of the stages,
  • 15 the current paths of the circuit according to 13 , if during the transition from the conducting phase of all switches to the blocking phase one switch briefly remains in the conducting state;
  • 16 the circuit according to 13 , where only one switch conducts,
  • 17 an embodiment of a DC-DC converter in which N, N≥2, stages are connected in series,
  • 18 another embodiment of a DC-DC converter with three levels, similar to the embodiment according to FIG 14 , at which instead of in 14 described clamping circuits, the second and third stages each comprise a clamping circuit, which according to 9 is constructed in connection with 10(a),
  • 19 an embodiment of a DC-DC converter according to the invention with two series-connected primary stages, each of which comprises a clamping circuit according to the teachings of the present invention,
  • 20 a three-stage DC-DC converter with the clamping circuits, which according to 8th and 10(a) or according to 9 and 10(a) are built up
  • 21 an embodiment for balancing the voltages at the input capacitors by magnetic coupling of the primary-side windings of multi-stage DC-DC converters,
  • 22 an embodiment for balancing the voltages at the input capacitors by electrically coupling the secondary windings of multi-stage DC voltage converters,
  • 23 an embodiment of the present invention for balancing the voltages at the input capacitors by parallel connection of the DC outputs of the secondary stages,
  • 24 an embodiment for balancing the voltages on the input capacitors by controlling the power of each stage, and
  • 25 another embodiment for balancing the voltages on the input capacitors by controlling the power of each stage. Embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which the same reference numerals are assigned to the same or similar elements.

Nachteile von aus dem Stand der Technik bekannten SchaltungenDisadvantages of circuits known from the prior art

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die zuvor beschriebenen, bekannten Gleichrichterschaltungen untersucht und Nachteile festgestellt, welche erfindungsgemäß ausgeräumt werden.The inventors of the present invention have examined the known rectifier circuits described above and found disadvantages which are eliminated according to the invention.

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.Disadvantages of the U.S.A. 4,959,764 known circuit according to 2 are primarily in the complexity of driving the switch S 1 , because this is a high-side switch. If a MOSFET is used for this switch, then the reference point of the control, the source connection of the MOSFET, has a potential that changes with each switching state. This results in the need for a gate driver supply and a gate driver input signal that function correctly despite constant potential changes. The resulting circuit complexity increases the cost of the converter. The generation of the control signal for the two switches is also complex, because on the one hand the control signal for both switches is not the same or simply inverted, and on the other hand the control also requires measurement technology effort, depending on the circuit implementation, in order to achieve zero-voltage switching enable.

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 Ccn weist Nachteile auf, da Unterschiede bei der Ansteuerung oder bei den Bauteiltoleranzen der Schalter dazu führen, dass die Schaltzeitpunkte der Schalter Sn leicht voneinander abweichen bzw. nicht exakt gleich sind. Tatsächlich ist ein geringer Versatz der Schaltzeitpunkte der Schalter Sn somit nie vollständig verhinderbar.The ones from the DE 10 2016 117 936 A1 or from the DE 44 22 409 A1 Known direct coupling of the switch voltages via the capacitors C cn , which is very effective particularly for rapid changes, has disadvantages since differences in the actuation or in the component tolerances of the switches result in the switching times of the switches S n deviating slightly from one another or not exactly are the same. In fact, a small shift in the switching times of the switches S n can never be completely prevented.

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 Sn, welcher in den sperrenden Zustand übergeht, kommutiert der Wicklungs-Strom vom Schalter auf den Kondensator Ccn. 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.An example is considered below in which all switches of the primary stages were initially conductive and a current built up in the magnetizing inductance. The switches then go into the blocking state, but one switch is delayed. 5 shows the current paths in the circuit 4 , if, after a conducting phase of all switches, switch S 1 is the last to switch to the blocking state. With each switch S n which goes into the blocking state, the winding current commutates from the switch to the capacitor C cn . Depending on the position of the switch, this current flows via additional capacitors to the still conducting switch S 1 . Ultimately, in this example, switch S 1 takes over the currents of all primary stages. Since there is only a very brief moment in which all currents are concentrated on a switch, this generally does not pose a direct problem for this switch. However, the switching losses of this switch will be correspondingly higher.

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.Depending on the choice of switching frequency or the ratio of switching time to clock period, the switching losses can be the dominant losses of the switches and thus have a significant influence on their heating. If such a resulting asymmetry of the switching losses when developing the If the cooling concept was not taken into account, this can lead to overheating of individual switches. This can be amplified, for example, when using MOSFETs as switches due to the thermal dependence of their threshold voltage. A higher chip temperature MOSFET will generally switch state at a lower threshold voltage, causing it to turn on earlier and turn off later than a lower chip temperature switch. This can lead to positive feedback on the switching losses and ultimately thermal runaway for the switch.

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.Another disadvantage of direct coupling of all switch voltages is that driving the transformer windings individually is not possible, but this can be desirable, especially in cases of low output power in relation to the rated power of the overall converter, in order to build up a lower current in the magnetizing inductance. At low output powers, depending on the topology on the secondary side, a very short on-time of the switches may be necessary. This is problematic for controlling the switches in several respects. The reason for this is that, depending on the control circuit, minimum switch-on times are required and pulses that are too short are not passed on to the switch at all. In any case, the driver needs a certain amount of time to turn on the switch completely, so too short an on-time leads to operation of the switches in which they do not reach their full capacity, making the transfer of power to the secondary side more inefficient.

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.If, on the other hand, the windings of the individual primary stages could be operated independently of one another, it would be possible with low output power to control the windings not simultaneously but cyclically or periodically one after the other, e.g. by activating only one switch of a primary stage within a switching period. Thus, the on-time of that one switch could be lengthened accordingly.

Ein weiterer Nachteil der Nutzung von Kondensatoren Ccn zur direkten Kopplung aller Schalterspannungen ist, dass über sie in Verbindung mit der magnetischen Kopplung der Wicklungen eine Parallelschaltung von Streuinduktivitäten und Kondensatoren Ccn 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.Another disadvantage of using capacitors C cn for direct coupling of all switch voltages is that they, in conjunction with the magnetic coupling of the windings, result in a parallel connection of leakage inductances and capacitors C cn . The resulting parallel resonant circuit, which depending on the state of the switch also includes other components, can in turn be the starting point for new unwanted oscillations in the system. This oscillating circuit is again excited by the previously described slight time offset in the state change of the switches, which in practice can never be completely ruled out.

Erfindungsgemäße LösungSolution according to the invention

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.The aforementioned disadvantages of conventional direct-current converters are solved according to the present invention in that an energy buffer, e.g. a capacitor, is no longer permanently connected, but instead is switched according to the invention between different nodes, depending on the state of the switch of a stage, so that the winding or the switch of each stage is provided with its own commutation path for the current, which is active until the energy in the respective leakage inductance has been dissipated.

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.Embodiments of the present invention provide a clamp circuit that includes at least the energy buffer. A first connection of the energy buffer is connected to the node between the inductance and the switch of a stage. A second terminal of the energy buffer is optionally connected to a parallel circuit of an input capacitor and a series circuit comprising an inductor and a switch of any stage, e.g. to a first terminal or a second terminal of a parallel circuit of the stage, or, in the case of multi-stage embodiments , connected to a first terminal or a second terminal of parallel circuits of any stages.

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.According to the teachings of the present invention, this ensures that during the conducting state of the switch of a stage, which is equipped with the clamping circuit, the energy buffer at its second terminal with an input terminal of the stage or, in multi-stage configurations of the circuit, with an input terminal of a any of the stages can be connected. In this case, a current path is provided for the second connection of the energy buffer, which does not run via the switch or switches of the stages, so that a separate path is provided by the switch or switches to discharge the charges which the energy buffer carries out during the blocking phase of the stage switch through the current flowing through it, to allow the input capacitor or the input capacitors.

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.During the blocking phase of the stage switch equipped with the clamp circuit, the clamp circuit is able to take over the current flow from the stage switch, thereby avoiding voltage spikes at the switch, as well as dampening oscillations.

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.Since the clamp circuit is only active when current is commutated to it from the switch or charge is transferred to the input capacitor, it achieves its goal of limiting the switch voltage and damping the oscillation without permanently balancing all the switch voltages and without building up another, continuous oscillating circuit. This results in the advantages mentioned above, the possibility of separate control of the windings, avoiding the construction of a parallel circuit with the leakage inductance that is capable of oscillating, and at different switching times of the primary switches, preventing the commutation of the currents from stages with switches that are already blocking to stages with switches that are still conductive switches. The latter is ensured by the energy in the leakage inductances, because as long as this maintains the flow of current via the clamping circuit in the blocking phase of a switch of a stage, this proportion of the magnetizing current does not flow via the switches that are still in the conducting state.

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.According to exemplary embodiments, the clamp circuit according to the invention is used in single-stage converter topologies or in multi-stage converter topologies, it being possible for multi-stage converter topologies to have one or more of the stages with the clamp circuit according to the invention.

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.According to exemplary embodiments, the clamping circuit according to the invention can be used in single-stage or multi-stage converter topologies without electrical isolation, in which case the stage or stages have an inductance, e.g. B. in the form of a coil or storage choke. According to other exemplary embodiments, the clamping circuit according to the invention is used in a single-stage or multi-stage DC/DC converter with galvanic isolation, so that the circuit comprises one or more primary stages connected in series and one or more secondary stages. In such exemplary embodiments, the secondary stage or stages includes respective inductances, which form a transformer in the case of a single-stage topology. In the case of a multi-stage topology, the primary-side and secondary-side inductances form the windings of one or more transformers, for example depending on whether two or more of the inductances or windings of the stages are magnetically coupled on the primary side or not.

Einstufige GleichspannungswandlerschaltungSingle-stage DC-DC converter circuit

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 CIn 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 shows a first exemplary embodiment of the present invention, according to which the clamping circuit according to the invention is implemented in a single-stage DC-DC converter circuit. The basic structure of the in 6 shown circuit, more precisely the one in 6 illustrated, single stage of the circuit corresponds to the basis of 1 previously described structure. In the 6 The stage 104 shown comprises an input 100 with the input terminals 100a and 100b, as well as the parallel circuit comprising the input capacitor C In and the series circuit comprising the inductance L and the switch S 1 . At the in 6 In the single-stage embodiment shown, the terminals 104a, 104b of the stage 104 correspond to the input terminals 100a, 100b of the DC/DC converter. The first terminal 106a of the inductance L is connected to the terminal 104a of the stage and the second terminal 106b of the inductance L is connected to a first terminal 108a of the switch S 1 . The second terminal 108b of switch S 1 is connected to the second terminal 104b of stage 104 .

6 illustriert ferner eine Klemmschaltung 200, welche zumindest einen Energiepuffer Csn umfasst, z. B. in Form eines oder mehrerer Kondensatoren Csn. Die Klemmschaltung 200 umfasst einen ersten Anschluss 200a, einen zweiten Anschluss 200b und einen dritten Anschluss 200c. Der Energiepuffer Csn umfasst, wie in 6 dargestellt ist, einen ersten Anschluss 202a und einen zweiten Anschluss 202b, wobei der erste Anschluss 202a des Energiepuffers Csn 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 Csn 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. 6 further illustrates a clamp circuit 200 comprising at least one energy buffer C sn , e.g. B. in the form of one or more capacitors C sn . The clamp circuit 200 includes a first terminal 200a, a second terminal 200b and a third terminal 200c. The energy buffer C sn includes, as in 6 1, a first terminal 202a and a second terminal 202b, the first terminal 202a of the energy buffer C sn being connected to a node or terminal K3 between the second terminal 106b of the inductance L and the first terminal 108a of the switch S 1 . The clamp circuit 200 is configured to selectively connect the second terminal 202b of the energy buffer C sn to a node K1 between the first terminal 106a of the inductance L and the first terminal 104a of the stage or a node K2 between the second terminal 108b of the switch and the second terminal 104b of the stage to connect. In other words, the node K1 is the first terminal of the aforesaid parallel circuit of the stage and the node K2 is the second terminal of the aforesaid parallel circuit of the stage.

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 Csn mit dem Anschluss K1, der zweite Anschluss 202b des Energiepuffers Csn 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 Csn und ist damit in der Lage, Spannungsspitzen am Schalter S1 zu vermieden.When the switch S 1 is off, which is also referred to as the open switch state or off-time of the switch, the clamping circuit 200 causes the connection of the second connection 202b of the energy buffer C sn to the connection K1, so the second connection 202b of the energy buffer C sn is connected connected to port 104a of stage 104. When the switch S 1 is off, the clamp circuit 200 causes a current to flow from the switch S 1 to the energy buffer C sn and is thus able to avoid voltage spikes at the switch S 1 .

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 Csn mit dem Anschluss K2, der zweite Anschluss 202b des Energiepuffers Csn ist also mit dem zweiten Anschluss 104b der Stufe verbunden. Bei leitendem Schalter S1 ist der Energiepuffer Csn zwischen die Anschlüsse K2 und K3 geschaltet, wodurch ein Ladungsabfluss von dem Energiepuffer Csn auf den Eingangskondensator CIn bewirkt wird, sofern die Spannung über den Energiepuffer Csn höher ist als die Spannung über dem Kondensator CIn. Wie aus 6 zu erkennen ist, erfolgt der Ladungsausgleich in dieser Situation über einen Pfad vom Energiepuffer Csn über den Anschluss K2 zum Eingangskondensator CIn, 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.With switch S 1 conducting, also referred to as the closed switch state or switch on-time, the clamp circuit 200 causes the second terminal 202b of the energy buffer C sn to be connected to terminal K2, i.e. the second terminal 202b of the energy buffer C sn is connected to the second port 104b of the level connected. When the switch S 1 is conducting, the energy buffer C sn is connected between the terminals K2 and K3, causing a charge drain from the energy buffer C sn to the input capacitor C In if the voltage across the energy buffer C sn is higher than the voltage across the capacitor C In . How out 6 can be seen, the charge equalization in this situation takes place via a path from the energy buffer C sn via the connection K2 to the input capacitor C In , i.e. not via the switch S 1 but via a path separate from the switch, which means that the disadvantages described above in connection with occurring Vibrations are avoided or reduced.

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, Csn 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 Csn und den dritten Anschluss 200c der Klemmschaltung 200 geschaltet sein können.At this point it is pointed out that the connection of the respective components described herein can either be directly to one another or that one or more additional components are provided in the connection paths between the respective components. For example, it can be provided according to exemplary embodiments to connect the energy buffer C sn directly, ie without the interposition of further components, to the node K3, whereas in other exemplary embodiments one or more additional components, e.g. in the form of a diode or other switching element, can be connected between the first terminal 202a of the energy buffer C sn and the third terminal 200c of the clamping circuit 200 .

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.At the in 6 illustrated embodiment is a single-stage DC-DC converter, which can be constructed with or without galvanic isolation. In the case of an embodiment without galvanic isolation, the inductance L is in the form of a coil or storage inductor, for example, and there is no secondary side. In the case of a design with galvanic isolation, the inductance L forms a primary winding of a transformer or autotransformer and the in 6 Stage 104 shown can also be referred to as the primary stage. In this case, similar to using the 1 has been described, a secondary side can be provided with a corresponding winding. Exemplary embodiments for the configuration of secondary sides in DC voltage converter topologies with galvanic isolation will be described in detail later.

Mehrstufige GleichspannunaswandlerschaltungMulti-stage DC voltage converter circuit

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, 104n, 104N-1 und 104N. Zumindest eine der genannten Stufen umfasst die erfindungsgemäße Klemmschaltung 200, z. B. die Stufe 104n in 7. Die Zugehörigkeit einer Klemmschaltung zu einer bestimmten Stufe bestimmt sich abhängig davon, mit welchem Knoten K3 der erste Anschluss 202a des Energiepuffers Csn 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 Csn über den dritten Anschluss 200c der Klemmschaltung 200 mit dem Knoten K3n verbunden, so dass die Klemmschaltung 200 Teil der Stufe 104n 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 K1n 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 104n verbunden sein. 7 shows an embodiment of the present invention, according to which the clamp circuit according to the invention is used in a multi-level DC-DC converter topology. 7 shows a schematic representation of a DC-DC converter topology with N stages, with N ≥ 2. 7 Figure 10 illustrates stages 104 1 , 104 2 , 104 n , 104 N-1 and 104 N . At least one of the stages mentioned comprises the clamping circuit 200 according to the invention, e.g. B. the stage 104 n in 7 . The affiliation of a clamping circuit to a specific stage is determined depending on which node K3 the first connection 202a of the energy buffer C sn of the clamping circuit 200 or the third connection 200c of the clamping circuit 200 is connected to. At the in 7 In the embodiment shown, the first connection 202a of the energy buffer C sn is connected to the node K3 n via the third connection 200c of the clamping circuit 200, so that the clamping circuit 200 is part of the stage 104 n . According to embodiments of the present invention, the first and second terminals 200a and 200b of the clamp circuit 200 are connected to arbitrary terminals K1 and K2 of the other stages, respectively. For example, port 200a may be connected to port K1 n and port 200b may be connected to port K2 1 . However, the present invention is not limited to such embodiments, rather, as just mentioned, each of the terminals 200a and 200b of the clamping circuit 200 with one of the terminals K1 and K2 of the parallel circuits of any of the stages, including the terminals K1 and K2 of Level 104 n be connected.

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.According to further exemplary embodiments, in the case of a multi-stage configuration of the DC-DC converter according to FIG 7 at least one or more further stages identify a clamping circuit. In this case, the third connection 200c of the respective clamping circuit is connected to the corresponding node K3 of the respective stage. The respective terminals 200a and 200b of the clamping circuit can be connected to any terminals K1 or K2 of the stages, it being possible for the multiple clamping circuits to be connected to the terminals K1 and/or K2 of the parallel circuits of the same or different stages.

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.According to exemplary embodiments, it can be provided that, in the case of a multi-stage configuration of the DC-DC converter, those stages which do not have a clamping circuit have a diode (see e.g 12 ). Such a diode is provided such that its anode is connected to the node K3 of the stage which has no clamping circuit, and the cathode of the diode is connected to a first terminal K1 of a parallel circuit of any of the higher stages.

Die Klemmschaltung 200 ist, wie zuvor bereits erwähnt, ausgebildet bzw. in der Lage, wahlweise den zweiten Anschluss des Energiepuffers Csn 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.As already mentioned above, the clamping circuit 200 is designed or capable of selectively connecting the second connection of the energy buffer C sn with a connection K1 or a connection K2 of the stage in which the clamping circuit is arranged, or, in the case of a multi-stage configuration according to 7 to connect the corresponding node of any other stage.

Erstes Ausführungsbeispiel der Klemmschaltung - Variante AFirst embodiment of the clamping circuit - Variant 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 Csn realisiert ist, dessen erster Anschluss 202a mit dem dritten Anschluss 200c der Klemmschaltung 200 verbunden ist. Der zweite Anschluss 202b des Kondensators Csn 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 Csn der Klemmschaltung 200 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 204 ist ausgestaltet bzw. in der Lage, den zweiten Anschluss 202b des Kondensators Csn 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. 8th illustrates an embodiment of the clamp circuit according to the invention. The clamping circuit 200 comprises the terminals 200a, 200b and 200c, which have already been explained above, and the energy buffer, which according to the illustrated embodiment is implemented by at least one capacitor C sn , the first terminal 202a of which is connected to the third terminal 200c of the clamping circuit 200 . The second connection 202b of the capacitor C sn is connected to a circuit arrangement 204 . The circuit arrangement 204 comprises a first connection 204a, which is connected to the first connection 200a of the clamping circuit 200, a second connection 204b, which is connected to the second connection 200b of the clamping circuit 200, and a third connection 204c, which is connected to the second connection 202b Capacitor C sn of the clamp circuit 200 is connected. The circuit arrangement 204 is configured or able to connect the second connection 202b of the capacitor C sn to the first connection 200a or to the second connection 200b depending on the state of the switch S of the stage in which the clamping circuit 200 is arranged.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Energiepuffer bzw. Kondensator Csn auch als Spannungsbegrenzungs-Kondensator oder Snubber-Kondensator bezeichnet wird.At this point it should be noted that the energy buffer or capacitor C sn is also referred to as a voltage-limiting capacitor or snubber capacitor.

Zweites Ausführungsbeispiel der Klemmschaltung - Variante BSecond embodiment of the clamping circuit - variant B

9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung der Klemmschaltung 200, gemäß dem zusätzlich zu den anhand der 8 beschriebenen Elementen die Diode Dsn und der Schalter Ssn vorgesehen sind. Die Diode Dsn 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 Dsn 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 Ssn ist zwischen den ersten Anschluss 200a der Klemmschaltung 200 und den ersten Anschluss 202a des Kondensators Csn geschaltet, so dass ein erster Anschluss des Schalters Ssn mit dem Anschluss 202a des Kondensators Csn verbunden ist, und der zweite Anschluss des Schalters Ssn mit dem ersten Anschluss 200a der Klemmschaltung 200. Gemäß Ausführungsbeispielen kann der Schalter Ssn durch einen N-Ch-MOSFET (N-Kanal-MOSFET) realisiert sein. Bei solchen Ausführungsbeispielen entspricht der Source-Anschluss des MOSFETs dem zweiten Anschluss des Schalters Ssn 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 Sn der Primärstufen, die Ansteuer-Schaltung muss lediglich eine DC-Spannung zwischen dem Steuersignal und dem MOSFET ausgleichen. 9 shows a further embodiment of the design of the clamping circuit 200, according to the addition to the basis of 8th described elements, the diode D sn and the switch S sn are provided. The diode D sn is connected in such a way that its anode is connected to the third connection 200c of the clamping circuit 200 and thus to the node K3 of that stage which contains the clamping circuit. The cathode of the diode D sn is connected to the first terminal 202a of the capacitor and its second terminal 202b, as also in FIG 8th , connected to the third connection 204c of the circuit arrangement 204 . The switch S sn is connected between the first terminal 200a of the clamp circuit 200 and the first terminal 202a of the capacitor C sn such that a first terminal of the switch S sn is connected to the terminal 202a of the capacitor C sn and the second terminal of the switch S sn to the first connection 200a of the clamping circuit 200. According to embodiments, the switch S sn can be implemented by an N-Ch MOSFET (N-channel MOSFET). In such embodiments, the source terminal of the MOSFET corresponds to the second terminal of the switch S sn and is thus connected to terminal 200a of the clamp circuit. Since there is a stable voltage potential at connection 200a, driving such a MOSFET is just as easy as with the switches S n of the primary stages; the drive circuit only has to equalize a DC voltage between the control signal and the MOSFET.

Die Ausführungsbeispiele der Klemmschaltung gemäß 9 umfassen neben der Schaltungsanordnung aus 8 die Diode Dsn und den Schalter Ssn. 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 Ssn eine Diode und anstelle der Diode Dsn ein Schalter.The embodiments of the clamping circuit according to 9 include in addition to the circuitry 8th the diode D sn and the switch S sn . However, the present invention is not in accordance with the configuration of the clamp circuit 9 limited, rather, instead of the diode or instead of the switch, other suitable switching elements can be provided, for example a diode instead of the switch S sn and a switch instead of the diode D sn .

Die Klemmschaltung gemäß 8 erfordert keinen zusätzlichen aktiven Schalter zum Begrenzen der Schalterspannung, der Kostenaufwand ist daher niedriger als bei der Klemmschaltung gemäß 9.The clamping circuit according to 8th does not require an additional active switch to limit the switch voltage, so the cost is lower than that of the clamp circuit shown in FIG 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 UIn der Stufe bzw. der Spannung über dem Eingangskondensator CIn zu klemmen, sodass die Schaltung auch bei Verwendung von nur einer Primärstufe eingesetzt werden kann. Der zusätzlich notwendige Schalter Ssn 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 Dcl1n und Dc12n, bei der Klemmschaltung gemäß 9 nur einen Teil der Klemmspannung und können demensprechend günstiger ausgelegt werden.An advantage of the clamp circuit according to 9 is that it can be used to clamp to a higher voltage. It is therefore also possible with it to clamp twice the voltage U In in the stage or the voltage across the input capacitor C In with only one primary stage, so that the circuit can also be used when only one primary stage is used. The additionally required switch S sn has, like the main switch S, a fixed reference potential even when several primary stages are connected in series. The control of this switch can therefore be implemented with little effort. In addition, this switch, as well as the diodes D cl1n and D c12n , look at the clamping circuit according to FIG 9 only part of the clamping voltage and can therefore be designed more cheaply.

Die Funktionsweisen der Klemmschaltungen gemäß 8 und 9 werden später unter Bezugnahme auf weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlerschaltung näher erläutert.The functions of the clamping circuits according to 8th and 9 are explained in more detail later with reference to further exemplary embodiments of the DC-DC converter circuit according to the invention.

Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung der KlemmschaltungEmbodiments of the circuit arrangement of the clamping circuit

Die Schaltungsanordnung 204 gemäß den 8 und 9 ist wirksam, um, wie zuvor erwähnt, den zweiten Anschluss 202b des Kondensators Csn 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 Csn 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 Csn 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.The circuit arrangement 204 according to the 8th and 9 operates to selectively connect the second terminal 202b of the capacitor C sn to terminal 200a and terminal 200b of the clamp circuit 200, respectively, depending on the state of the switch of the stage to which the clamp circuit is associated, as previously mentioned. The clamp circuit is associated with that stage which includes the node K3 to which the third terminal 200c of the clamp circuit is connected. When the switch or switches are conductive in the stage or stages, the circuit arrangement 204 is able to connect the second terminal 202b of the capacitor C sn to the second terminal 200b of the clamping circuit 200 at least temporarily, i.e. during part or all of conducting phase, which in turn, as previously mentioned, is connected to a terminal K2 of the parallel circuit of any stage. When the switch or switches are blocking, the circuit arrangement 204 is able to connect the second terminal 202b of the capacitor C sn at least temporarily, i.e. during part of or during the entire blocking phase, to the first terminal 200a of the clamping circuit 200, which in turn is connected to connected to a terminal K1 of a parallel circuit of any one of the stages.

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 Dcl1 und Dcl2 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 Dcl1 mit dem ersten Anschluss 200a der Klemmschaltung 200 verbunden ist, und dass die Anode der zweiten Diode Dcl2 mit dem zweiten Anschluss 200b der Klemmschaltung verbunden ist. Die Anode der ersten Diode Dcl1 und die Kathode der zweiten Diode Dcl2 sind mit dem Knoten 206 der Schaltungsanordnung 204 verbunden und der zweite Anschluss 202b des Kondensators Csn 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.The circuit arrangement 204 can be implemented, for example, by using diodes or switches. 10 shows various exemplary embodiments of the circuit arrangement 204. 10(a) 12 shows an exemplary embodiment of the circuit arrangement 204, which includes a series circuit made up of the diodes D cl1 and D cl2 , which can also be referred to as clamping or voltage-limiting diodes. The diodes are connected between the terminals 200a and 200b of the clamp circuit 200 such that the cathode of the first diode D cl1 is connected to the first terminal 200a of the clamp circuit 200 and that the anode of the second diode D cl2 is connected to the second terminal 200b of the clamp circuit is connected. The anode of the first diode D cl1 and the cathode of the second diode D cl2 are connected to the node 206 of the circuit arrangement 204 and the second connection 202b of the capacitor C sn is also connected to the node 206 . This in 10(a) The exemplary embodiment shown comprises the series connection of two diodes, but the present invention is not limited to such a configuration; rather, more than two diodes connected in series can also be provided.

10(b) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 204, welches im Wesentlichen der Anordnung aus 10(a) entspricht, außer dass die Dioden Dcl1 und Dcl2 durch Schalter Scl1 und Scl2 ersetzt sind. 10(b) shows a further exemplary embodiment of the circuit arrangement 204, which essentially consists of the arrangement 10(a) corresponds to, except that the diodes D cl1 and D cl2 are replaced by switches S cl1 and S cl2 .

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 Scl vorgesehen ist, welcher den Knoten 206, welcher mit dem zweiten Anschluss 202b des Kondensators Csn 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. 10(c) 1 shows yet another exemplary embodiment of the circuit arrangement 204, in which instead of using two or more switching elements between the connections 200a and 200b, a single switch S cl is provided which connects the node 206 which is connected to the second connection 202b of the capacitor C sn is connected, optionally depending on the state of the switch of the stage in which the clamping circuit is arranged, to the terminal 200a or the terminal 200b of the clamping circuit.

Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers beschrieben, welcher eine oder mehrere Klemmschaltungen umfasst.Further exemplary embodiments of the DC-DC converter according to the invention, which includes one or more clamping circuits, are described below.

Ausführungsbeispiel eines einstufigen Gleichspannungswandters mit einer Klemmschaltung nach Variante BExemplary embodiment of a single-stage DC voltage converter with a clamping circuit according to variant 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 LWp 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.Based on 11 an embodiment of a single-stage DC-DC converter is explained below, which according to the clamping circuit according to the invention 9 has, in which the circuit arrangement has a structure according to 10(a) has, with the related to the 6 and 7 mentioned inductances in 11 is denoted as inductance L Wp . The electrical input of the DC-DC converter 100, comprising the two input terminals 100a and 100b, is at the in 11 illustrated embodiment formed by the first terminal 104a of the stage 104 and by the second terminal 104b of the stage 104.

Mit der in 11 gezeigten Schaltung können z.B. Durchfluss- oder Sperrwandler aufgebaut werden. In diesen Fällen würde die Induktivität LWp eine Primärwicklung eines Transformators darstellen.with the inside 11 The circuit shown can be used to build forward or flyback converters, for example. In these cases, the inductance L Wp would represent a primary winding of a transformer.

Wenn der Hauptschalters S in die sperrende Phase übergeht, lädt sich der Kondensator Csn mit Hilfe der Energie aus der Streuinduktivität des Transformators, sowie der Energie aus der Magnetisierungsinduktivität LWp auf. Dieser Aufladevorgang erfolgt z.B. in den ersten Schaltzyklen nach Inbetriebnahme der Schaltung. Der Strom fließt dabei über die Reihenschaltung bestehend aus Dsn, Csn und Dcl1. Gleichzeitig wird durch diese Reihenschaltung die Spannung über dem Schalter S begrenzt.When the main switch S goes into the blocking phase, the capacitor C sn charges with the help of the energy from the leakage inductance of the transformer and the energy from the magnetizing inductance L Wp . This charging process takes place, for example, in the first switching cycles after the circuit has been put into operation. The current flows through the series circuit consisting of D sn , C sn and D cl1 . At the same time, the voltage across the switch S is limited by this series connection.

Durch gelegentliches oder regelmäßiges Einschalten des Schalters Ssn während der leitenden Phase von S wird die Spannung des Kondensators Csn auf die Spannung über dem Eingangskondensator CIn begrenzt, hierbei ist die Reihenschaltung aus Ssn, Csn, Dcl2 und CIn aktiv. Gemäß Ausführungsbeispielen werden die Schalter S und Ssn mit dem gleichen Logiksignal angesteuert. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können beim Ansteuern des Schalters Ssn aber auch Pulse ausgelassen werden, um Schaltverluste einzusparen.By turning on the switch S sn occasionally or regularly during the conducting phase of S, the voltage of the capacitor C sn is limited to the voltage across the input capacitor C In , here the series connection of S sn , C sn , D cl2 and C In is active. According to embodiments, the switches S and S sn are driven with the same logic signal. According to other exemplary embodiments, however, pulses can also be omitted when driving the switch S sn in order to save on switching losses.

Auch eine asynchrone Ansteuerung des Schalters Ssn, also z.B. das Einschalten von Ssn, während der sperrenden Phase des Schalters S, ist zulässig. Je nach Fall kann es hierbei zu einem Rückleiten von Energie aus der Magnetisierungsinduktivität LWp in den Eingangskondensator CIn 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.An asynchronous activation of the switch S sn , ie for example the switching on of S sn during the blocking phase of the switch S, is permissible. Depending on the case, energy can be fed back from the magnetizing inductance L Wp into the input capacitor C In , which means that, for example, the output voltage of the converter can be reduced at low output powers or low output currents without the on-time of the switch S must be reduced. This mode of operation can be useful in keeping the on-time of the switch S above a fixed minimum that is required in practice for driving the switches.

Durch die Begrenzung der Spannung über Csn 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 Ssn durch die Reihenschaltung von Dcl1 und Csn auf die einfache Eingangsspannung begrenzt.By limiting the voltage across C sn to the level of the input voltage, the switch voltage across S is simultaneously limited to twice the input voltage. At the same time, the voltage across the switch S sn is limited to the single input voltage by the series connection of D cl1 and C sn .

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 Ssn fest mit dem Eingangskondensator CIn verbunden.Opposite the one from the U.S.A. 4,959,764 known circuit has the circuit according to 6 or. 11 the following advantages. Just like with the circuit according to the U.S.A. 4,959,764 the voltage across the switches is clamped and the energy from the leakage inductance of the transformer winding is recovered. In the circuit according to the invention, however, these goals are achieved without a switch in which the reference potential changes with each switching operation. According to the invention, the reference potential of both switches S and S sn is permanently connected to the input capacitor C In .

Vorzugsweise erfolgt die Auslegung des Eingangskondensators CIn 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.The input capacitor C In is preferably designed in such a way that the voltage change across it during a switching period can be neglected. The control of both switches is thus very simple, and a complex power supply for the switch control is not necessary.

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.Exemplary embodiments of multi-level DC/DC converters are described below which, in accordance with the teachings of the present invention, comprise one or more clamping circuits according to the invention, e.g. B. one or more clamping circuits, which have a structure corresponding to the basis of 8th until 10 have described embodiments. At this point it should be noted that that stage which is connected with its first termination K1 or 104a of the parallel circuit to the first input terminal 100a, e.g. the positive pole, of the input 100 is also referred to as the uppermost or upper stage of the multi-stage DC/DC converter. That stage which is connected with its second termination K2 or 104b of the parallel circuit to the second input terminal 100b, eg the negative pole, of the input 100 is also referred to as the lowest or lower stage of the multi-stage DC/DC converter.

Ausführungsbeispiel eines zweistufigen Gleichspannunaswandlers mit einer Klemmschaltung nach Variante AExemplary embodiment of a two-stage DC voltage converter with a clamping circuit according to variant 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 LWP2 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 LWP2. 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 104bn 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 LWp1 und dem ersten Anschluss 108a1 des Schalters S1 liegt, ist über die Diode Dsn1 mit dem Anschluss K12 der zweiten Stufe 1042 verbunden. 12 FIG. 1 shows an embodiment of a DC-DC converter with two stages 104 1 and 104 2 , in which the second or top stage 104 2 has a clamping circuit, which in the illustrated embodiment has a structure according to FIG 8th combined with 10(a) having. The third terminal 200c of the clamp circuit 200 is connected to the node K3 2 which is located between the lower or second terminal 106b 2 of the inductor L WP2 and the first terminal 108a 2 of the switch S 2 . Thus, the clamp circuit 200 is associated with the second stage 104 2 . The first terminal 200a of the clamping circuit 200 is connected to the first terminal K1 2 of the parallel circuit of the second stage in the illustrated embodiment, and thus to the first terminal 104a 2 of the second stage and the first terminal 106a 2 of the inductor L WP2 . The second connection 200b of the clamping circuit 200 is connected to the connection K2 1 , namely the second connection of the parallel circuit in the first stage 104 1 , i.e. to the second connection 104b n of the first stage 104 1 and the second connection 108b 1 of the switch S 1 the first stage 104 1 . The first stage node K3 1 , which is between the second terminal 106b 1 of the inductance L Wp1 and the first terminal 108a 1 of the switch S 1 , is connected to the second stage terminal K1 2 104 2 via the diode D sn1 .

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 104bn der ersten Stufe 1041 gebildet.The electrical input of the DC-DC converter, comprising the two input terminals 100a and 100b, is 12 illustrated embodiment through the first connection 104a 2 of the second stage 104 2 and through the second terminal 104b n of the first stage 104 1 is formed.

Mit der in 12 gezeigten Schaltung können z.B. Durchfluss- oder Sperrwandler aufgebaut werden, und in diesem Fall würden die Induktivitäten LWp1 und LWp2 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.with the inside 12 The circuit shown can, for example, be used as a forward or flyback converter, and in this case the inductances L Wp1 and L Wp2 would each represent a primary winding of a transformer or of several transformers. In this case, similar to using the 1 has been described, a secondary side can be provided with corresponding windings.

Für die folgende Betrachtung wird davon ausgegangen, dass alle Schalter Sn gleichzeitig ihren Schaltzustand ändern, die Primärstufen in einem Sperrwandler Einsatz finden und die Wicklungen LWpn auf einem gemeinsamen magnetischen Kern eines Transformators untergebracht sind.For the following consideration it is assumed that all switches S n change their switching state at the same time, the primary stages are used in a flyback converter and the windings L Wpn are accommodated on a common magnetic core of a transformer.

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 LWp1 über die Diode Dsn1 und den Eingangskondensator CIn2, der Strom der oberen Wicklung LWp2 über den Kondensator Csn1, die Diode Dcl1 und den Kondensator CIn2. Die Schalterspannung des unteren Schalters S1 wird durch die aufgezeigte Masche auf die Summenspannung der beiden Eingangskondensatoren CIn1 und CIn2 geklemmt, die des oberen Schalters S2 auf die Summe der Spannungen von Csn1 und CIn2. Die Streuinduktivitäten wirken als Stromquellen und bauen dadurch ihre gespeicherte Energie ab. Die Energie wird in die Eingangskondensatoren CIn1, CIn2 sowie den Kondensator Csn1 übertragen.When the switches are conducting, a current builds up in the common magnetizing inductance of the transformer, but also in the leakage inductances of each winding. When the switch changes to the blocking state, the commutation of the current of the magnetizing inductance to the flyback converter diode on the secondary side begins. However, due to the stray inductances of the primary windings, current still flows at first on the primary side. Since the switches are off, the current in the lower winding L Wp1 flows via the diode D sn1 and the input capacitor C In2 , the current in the upper winding L Wp2 via the capacitor C sn1 , the diode D cl1 and the capacitor C In2 . The switching voltage of the lower switch S 1 is clamped by the mesh shown to the sum voltage of the two input capacitors C In1 and C In2 , that of the upper switch S 2 to the sum of the voltages of C sn1 and C In2 . The leakage inductances act as current sources and thereby reduce their stored energy. The energy is transferred into the input capacitors C In1 , C In2 and the capacitor C sn1 .

Wenn sich dabei die Spannung über dem Kondensator Csn1 auf eine höhere als die am Kondensator CIn1 aufgebaut hat, wird in der nächsten Schaltperiode, wenn die Schalter S1 und S2 wieder leitend werden, die Diode Dcl2 leitend, wodurch die beiden Kondensatoren CIn1 und Csn1 parallel liegen und Ladung aus dem Kondensator Csn1 in den Eingangskondensator CIn1 fließt. Im kontinuierlichen Betrieb führt dies dazu, dass am Kondensator Csn1 und am Eingangskondensator CIn1 die gleiche Spannung anliegt. Hieraus folgt, dass die Spannung beider Schalter auf die doppelte Spannung eines Eingangskondensators CInn begrenzt wird.When the voltage across capacitor C sn1 has built up to be higher than that across capacitor C In1 , in the next switching period when switches S 1 and S 2 become conductive again, diode D cl2 becomes conductive, causing the two capacitors C In1 and C sn1 are in parallel and charge flows from the capacitor C sn1 into the input capacitor C In1 . In continuous operation, this means that the same voltage is present at the capacitor C sn1 and at the input capacitor C In1 . It follows that the voltage of both switches is limited to twice the voltage of an input capacitor C Inn .

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 SN begrenzt und die Energie aus der Streuinduktivität der obersten Transformatorwicklung LWpN 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 Dsnn erfolgen, welche an den Anschluss K1n 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 CInn können dabei auf verschiedene Wege symmetrisch gehalten werden, was später noch im Detail beschrieben wird.The circuit according to 12 can be used to connect any number of primary stages in series, but at least two, with the top or Nth primary stage preferably having a clamping circuit 200, so that the voltage at the switch S N is limited and the energy from the leakage inductance of the top transformer winding L WpN can be traced back. For all other primary stages 1, . ...N) is connected. According to other exemplary embodiments, there is also the possibility of one, several or all of the lower primary stages 1, . . . , N-1 having a clamping circuit in accordance with the 8th until 10 equip described embodiments. The voltage level across the input capacitors C Inn can be kept symmetrical in various ways, which will be described in detail later.

Ausführunasbeispiel eines N-stufigen Gleichspannungswandlers mit einer Klemmschaltung nach Variante AExample of an N-stage DC-DC converter with a clamping circuit according to variant 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 104N angenommen ist. Mit anderen Worten können sich zwischen der zweiten Stufe 1042 und der obersten oder letzten Stufe 104N 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 104N und damit ist der Kondensator CsnN mit seinem ersten Anschluss 202a mit dem Knoten K3N 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. 13 12 shows another embodiment of a multi-level DC/DC converter according to the present invention. The structure of the circuit according to 13 is similar to the structure of in 12 circuit shown, except that a series connection of N stages 104 1 to 104 N is assumed. In other words, between the second stage 104 2 and the uppermost or last stage 104 N there can be no or any number of further stages, which can be designed either without a clamping circuit or with a clamping circuit. As with the based on the 12 described circuit is also in the embodiment according to 13 the clamp circuit 200 in the top stage 104 N and thus the capacitor C snN has its first terminal 202a connected to the node K3 N . As previously mentioned, terminals 200a and 200b of the clamp circuit can be connected to any terminals of the parallel circuit of any stage and in the case of the in 13 In the exemplary embodiment shown, the connection 200b of the clamping circuit 200 is connected to the second connection K2 2 of the parallel circuit of the second stage 104 2 .

Ähnlich wie anhand der 12 beschrieben wurde, enthalten diejenigen Stufen, welche keine Klemmschaltung aufweisen, die Diode Dsnn, welche jeweils zwischen den jeweiligen Knoten K3n und dem Knoten K1n einer beliebigen der höheren Stufen geschaltet ist. Bei dem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Diode Dsn1 zwischen den Knoten K31 und dem ersten Anschluss K12 der Parallelschaltung der Stufe 1042 geschaltet, und die Diode Dsn2 ist zwischen dem Knoten K32 der zweiten Stufe und dem ersten Anschluss K1N der Parallelschaltung der Stufe 104N geschaltet.Similar to the 12 has been described, those stages which do not have a clamping circuit include the diode D snn connected between the respective node K3 n and the node K1 n of any of the higher stages. At the in 13 In the illustrated embodiment, diode D sn1 is connected between node K3 1 and the first terminal K1 2 of the parallel circuit of stage 104 2 and diode D sn2 is connected between node K3 2 of the second Stage and the first terminal K1 N of the parallel circuit of the stage 104 N connected.

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 Dcl1N und Dcl2N, sowie dem Kondensator CsnN, aufgebaut. Bei den restlichen Primärstufen 1,2, ... N-1 wird eine Diode Dsnn zum Klemmen der Schalterspannung genutzt, in dem sie zwischen dem ersten Anschluss 108an des Schalters Sn und dem ersten Anschluss 104an einer Stufe 104n einer höheren Primärstufe angeschlossen ist.The circuit according to 13 is an example of how N primary stages can be connected in series. In the example shown, only the top primary stage N is provided with the clamp circuit 8th and 10(a) , consisting of the two diodes D cl1N and D cl2N , and the capacitor C snN . In the remaining primary stages 1 , 2, is.

Ausführungsbeispiel eines dreistufigen Gleichspannungswandlers mit zwei Klemmschaltungen nach Variante A zum Klemmen auf das dreifache der Spannung eines EingangskondensatorsEmbodiment of a three-stage DC-DC converter with two clamping circuits according to variant A for clamping to three times the voltage of an input capacitor

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 Dsn1, welche zwischen den Knoten K31 und den Anschluss K13 der dritten Stufe geschaltet ist. 14 14 shows yet another exemplary embodiment of a multi-stage DC/DC converter according to the invention, in which a clamping circuit is provided in several of the stages. 14 10 shows a three-stage DC/DC converter comprising stages 104 1 , 104 2 and 104 3 . The second stage 104 2 includes a clamp circuit 200 2 which, in the illustrated embodiment, is shown in accordance with FIG 8th combined with 10(a) is constructed. Furthermore, the third, uppermost stage comprises the clamping circuit 200 3 , which, like the clamping circuit 200 2 according to the exemplary embodiment according to FIG 8th combined with 10(a) is constructed. When building the circuit according to 14 the first terminals 200a 2 and 200a 3 of the clamp circuits 200 2 and 200 3 are connected to the terminal K1 3 of the parallel circuit of the third stage 104 3 and the second terminals 200b 2 and 200b 3 are connected to the second terminal K2 1 of the parallel circuit of the first level switched. The first stage 104 1 includes the diode D sn1 in the illustrated embodiment, which is connected between the node K3 1 and the terminal K1 3 of the third stage.

Durch die Parallelschaltung der Dioden Dcl13 und Dcl23 mit den drei in Reihe geschalteten Eingangskondensatoren CInn, 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 Sn in den sperrenden Zustand schneller abgebaut werden, wodurch wiederum weniger Energie aus der Magnetisierungsinduktivität auf die Primärseite zurückgeholt wird.By connecting the diodes D cl13 and D cl23 in parallel with the three input capacitors C Inn connected in series, the clamping voltage is increased to three times the voltage of an input capacitor. On the one hand, this increases the usable range of the output voltage and, on the other hand, the energy in the leakage inductances can be dissipated more quickly when the switch Sn changes to the blocking state, which in turn means that less energy is retrieved from the magnetizing inductance to the primary side.

Bei der untersten Primärstufe 1041 wird wieder eine Diode Dsn1 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.In the lowest primary stage 104 1 , a diode D sn1 is again used to clamp the switch voltage by being connected between the first connection 108a 1 of the switch S 1 and the first connection 104a 3 of the stage 104 3 .

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 LWpn 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.Opposite the one from the DE 10 2016 117 936 A1 known circuit have the circuits according to 6 or. 12 until 14 the following advantages. The switch voltages or the voltages on the primary windings are not switched in the same way. This results in a higher tolerance for variations in the switching times of the individual primary stages. The following assumes the use of a common transformer core for the windings L Wpn . If one switch turns off before the others, the current of the associated transformer winding does not commutate directly to the switches that remain in the conducting state. Since each switch has its own freewheeling path, it initially takes over the current with the help of the leakage inductance of each transformer winding. From this point onwards, the current in the leakage inductances is reduced, which means that the remaining switches have to accept more current from the magnetizing inductance.

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. 15 shows the current paths 11, 12, 13 of the circuit according to 13 with three stages if, during the transition from the conducting phase of all switches S 1 -S 3 to the blocking phase, switch S 1 remains briefly the only switch in the conducting state, for example due to component tolerances. In 15 is also shown an output stage or secondary stage with a structure which is based on the 1 was explained. In comparison to the direct capacitive coupling according to the previously described conventional approaches, however, the magnetizing current is not immediately and completely taken over by the switch that remains in the conducting state. The circuit can therefore handle small differences in the switching times, such as those caused in practice by component tolerances, and the risk of switching losses being concentrated on individual switches is significantly reduced.

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 - SN 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.According to the illustrated exemplary embodiments, the fact that the switch or winding voltages do not have to be switched in the same way is advantageously used as follows. Since the windings of the individual primary stages can be operated independently of one another, it is possible at low output powers to control the windings not simultaneously but cyclically or periodically one after the other, for example by activating only one switch of a primary stage within a switching period, as is shown by the 16 is shown, which the circuit according to 13 with three stages shows, in which only one switch conducts and thus less current is built up in the magnetizing inductance or the current is built up more slowly. Also 16 shows the output stage or secondary stage of the converter with the structure, which is based on the 1 was explained. If the switches are brought into the conducting state one after the other in this way when running through the switching periods and thus not all at the same time, the on-time of the switches S 1 -S N can be lengthened accordingly. This embodiment is used, for example, in cases of low output power with respect to the rated power of the overall converter. If this operating mode is not used, a very short conducting phase of the switches may be necessary at low output powers, depending on the secondary-side topology. This can be problematic for controlling the switches in a number of ways. The reason for this is that, depending on the control circuit, minimum switch-on times may be required and pulses that are too short are not passed on to the switch at all. In any case, the driver needs a certain amount of time to turn on the switch completely, too short an on-time therefore leads to operation of the switches in which they do not reach their full capacity, making the transfer of power to the secondary side more inefficient. The exemplary embodiment avoids these problems and the associated disadvantages in that the switches are controlled individually and optionally switched differently and independently of one another.

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 Dsn und den zusätzlichen Schalter Ssn haben.Based on 12 until 16 exemplary embodiments have been described in which the clamping circuit has a structure according to 8th combined with 10(a) having. The present invention is not limited to such configurations of the clamping circuit, rather the clamping circuit, such as based on the 11 was explained, also according to a structure 9 combined with 10(b) comprising the additional diode D sn and the additional switch S sn .

Ausführungsbeispiel eines N-stufigen Gleichspannungswandlers mit einer Klemmschaltung nach Variante BExemplary embodiment of an N-stage DC-DC converter with a clamping circuit according to variant 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. 17 Fig. 12 shows an embodiment of a DC-DC converter in which N, N≥2, stages are connected in series. The basic structure according to the embodiment in 17 corresponds to the structure in 13 , except that the clamp circuit according to 9 combined with 10(a) is trained.

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 SN begrenzt und die Energie aus der Streuinduktivität der obersten Transformatorwicklung LWpN 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 Dsnn erfolgen, welche an den Anschluss K1n 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.The circuit according to the embodiment in 17 thus includes, like the circuit according to the exemplary embodiment in FIG 13 several primary stages N, which are connected in series. The top primary stage N of the series connection includes a clamp circuit 200 according to FIG 9 and 10(a) , so that the voltage across the switch S N is limited and the energy from the leakage inductance of the top transformer winding L WpN can be fed back. As with the circuit according to 14 Here too, according to exemplary embodiments, for all other primary stages 1,...,N-1 the voltage can be clamped and the energy recovered, as shown, with a diode D snn which is connected to the connection K1 n of a higher primary stage ( n+1,...N) is connected. According to other exemplary embodiments, there is also the possibility of one, several or all of the lower primary stages 1, . . . , N-1 having a clamping circuit in accordance with the 8th until 10 equip described embodiments.

Ausführungsbeispiel eines dreistufigen Gleichspannunaswandlers mit zwei Klemmschaltungen nach Variante B zum Klemmen auf das dreifache der Spannung eines EingangskondensatorsEmbodiment of a three-stage DC voltage converter with two clamping circuits according to variant B for clamping to three times the voltage of an input capacitor

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. 18 FIG. 12 shows another embodiment of a three-level DC/DC converter, similar to the embodiment according to FIG 14 , at which instead of in 14 described clamping circuits, the second and third stages each comprise a clamping circuit, which according to 9 in connection with 10(a). Unlike in 14 are in accordance with the embodiment 18 the respective first terminals 200a 2 and 200a 3 and the respective second terminals 200b 2 and 200b 3 of the clamping circuits 200 2 and 200 3 are connected to different terminals of the parallel circuits in the three stages. More specifically, the first terminal 200a 1 of the clamp circuit 200 1 is connected to the terminal K1 2 of the second stage 104 2 and the second terminal 200b 1 is connected to the terminal K2 1 of the first stage parallel circuit 104 1 . The clamping circuit 200 3 of the third stage 104 3 is connected in such a way that its first connection 200a 3 is connected to the connection K1 3 of the parallel circuit of the third stage 104 3 and that the second connection 200b 3 is connected to the connection K2 2 or the connection K1 1 of the second or first stage is connected.

Durch die Verwendung von mehr als einer Primärstufe kann auf mehr als die doppelte Spannung eines Eingangskondensators CInn 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 CInn 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 Dsn1, welche an den Pluspol des Eingangskondensators CIn3 angeschlossen ist.By using more than one primary stage, more than twice the voltage of an input capacitor C Inn can be clamped. This can be used with a flyback converter topology, for example, to be able to cover a larger output voltage range. At the in 18 The exemplary embodiment shown is clamped to three times the voltage of an input capacitor C Inn by the primary stages 104 2 , 104 3 each having a clamping circuit 200 2 , 200 3 according to FIG 9 and 10(a) include. In contrast, the clamping of the switch voltage at the lowest primary stage 104 1 takes place again with the diode D sn1 , which is connected to the positive pole of the input capacitor C In3 .

Ausführungsbeispiel eines zwei stufigen Gleichspannungswandlers mit zwei Klemmschaltungen nach Variante B zum Klemmen auf das dreifache der Spannung eines EingangskondensatorsEmbodiment of a two-stage DC-DC converter with two clamping circuits according to variant B for clamping to three times the voltage of an input capacitor

Bei dem anhand der in 18 beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde das Klemmen der Schalterspannung auf mehr als die doppelte Spannung eines Eingangskondensators CInn 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 Csn1 bzw. Csn2 sind über die Dioden Dsn1 bzw. Dsn2 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.In the case of the in 18 In the embodiment described, the clamping of the switch voltage to more than twice the voltage of an input capacitor C Inn was realized by using more than one clamping circuit 200 for a three-level DC-DC converter. In further embodiments, the clamping of the switch voltage to a higher voltage, for example to three times the voltage of an input capacitor, can be implemented using only two stages. 19 shows an embodiment of a DC-DC converter according to the invention with two series-connected primary stages, which each comprise a clamping circuit according to the teachings of the present invention. At the in 19 illustrated embodiment is the clamping circuit according to 9 combined with 10(a) built up. The clamp circuits 200 1 and 200 2 are associated with the stages 104 1 and 104 2 and the first terminals 202a 1 and 202a 2 of the capacitors C sn1 and C sn2 are connected via the diodes D sn1 and D sn2 to the respective nodes K3 1 and .K3 2 of the two primary stages connected. The clamping circuits are connected in such a way that the first connection 200a 3 of the first clamping circuit 200 1 is connected to the connection K1 2 of the parallel circuit of the second stage 104 2 , which in the illustrated embodiment forms the first input connection 100a of the DC/DC converter. The second terminal 200b 1 of the clamp circuit 200 1 is connected to the second terminal K2 2 of the second stage parallel circuit and the first terminal K1 1 of the first stage parallel circuit, respectively. The clamping circuit 200 2 of the second stage is connected in such a way that its first connection 200a 3 is also connected to the connection K1 2 and the second connection 200b 2 is connected to a second connection K2 1 of the parallel connection of the first circuit and thus to the second input connection 100b of the DC-DC converter connected.

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.In the exemplary embodiments described so far, the DC-DC converter comprises one or more clamping circuits, with the exemplary embodiments described so far comprising a series connection of a plurality of stages with at least two clamping circuits each using clamping circuits which have the same structure, i.e. either a structure according to 8th or according to 9 combined with 10(a) . At this point it should be pointed out that the present invention is not limited to such configurations; rather, the clamping circuits can have circuit configurations which, instead of the configuration according to FIG 10(a) according to the embodiments according to 10(b) or according to 10(c) are trained.

Bei der Ausführungsform gemäß 19 wird wie bei der Ausführungsform gemäß 18 die Schalterspannung der Schalter Sn auf die dreifache Spannung eines Eingangskondensators CInn geklemmt. Dies wird erreicht, obwohl die Anzahl der Primärstufen nur bei zwei liegt.In the embodiment according to 19 becomes as in the embodiment according to 18 the switching voltage of switches S n is clamped to three times the voltage of an input capacitor C Inn . This is achieved even though the number of primary stages is only two.

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 CInn erhöht, welche parallel zu den zwei Dioden Dcl1n und Dcl2n 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 Dcl1n und Dcl2n zwar nur parallel zu einem Eingangskondensator CInn, dafür ist die obere Diode Dcl1n aber mit dem Knoten K1n der oberen Primärstufe, also dem Knoten der nächst höheren Stufe verbunden.
When using a clamp circuit according to 9 and 10(a) there are two variants to increase the clamping voltage. In the first variant, the number of input capacitors C Inn is increased, which are in parallel with the two diodes D cl1n and D cl2n , as shown in 19 is the case with the upper primary stage 104 2 .
In the second variant, which in 19 As can be seen in the lower primary stage, the two diodes D cl1n and D cl2n are only parallel to an input capacitor C Inn , but the upper diode D cl1n is connected to the node K1 n of the upper primary stage, i.e. the node of the next higher stage tied together.

Ausführungsbeispiel eines dreistufigen Gleichspannunaswandlers mit einer Klemmschaltung nach Variante A und einer Klemmschaltung nach Variante B zum Klemmen auf das dreifache der Spannung eines EingangskondensatorsEmbodiment of a three-stage DC voltage converter with a clamping circuit according to variant A and a clamping circuit according to variant B for clamping to three times the voltage of an input capacitor

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.Furthermore, the present invention is not limited to embodiments in which, in the case of multi-stage DC-DC converters, the clamping circuits have the same structure, ie either according to 8th or according to 9 are trained. According to further exemplary embodiments, the clamping circuits according to FIG 8th and according to 9 be combined. 20 shows a three-stage DC-DC converter with the clamp circuits 200 2 and 200 3 , the clamp circuit 200 2 of the stage 104 2 according to 8th and 10(a) is constructed, and the clamp circuit 200 3 of the step 104 3 according to 9 and 10(a) is constructed. The clamp circuit 200 2 has its first and second terminals 200a 2 and 200b 2 between the inputs 100a and 100b of the FIG 20 shown DC-DC converter circuit connected. In other words, the terminals 200a are 2 and 200b 2 is connected to the first connection K1 3 of the parallel circuit of the stage 104 3 or to the second connection K2 1 of the parallel circuit of the first stage 104 1 . The terminals 200a 3 and 200b 3 of the clamp circuit 200 3 of the third stage 104 3 correspond to the input terminal 100a of the DC/DC converter 20 or connected to the second connection K2 2 of the parallel circuit of the second stage 104 2 or to the first connection K1 1 of the parallel circuit of the first stage 104 1 .

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 Sn ist auch hier auf das dreifache der Spannung eines Eingangskondensators CInn begrenzt.At the in 20 The embodiment shown uses the shown DC-DC converter on the one hand, the clamping circuit 200 2 according to 8th as well as the clamp circuit 200 according to FIG 9 . Here, too, the voltage of the switches S n is limited to three times the voltage of an input capacitor C Inn .

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 Dsn1 aufweisen, um die Schalterspannung des Schalters S1 zu begrenzen.As in the embodiments described so far can also 20 that stage which does not comprise a clamping circuit according to the invention, in the illustrated exemplary embodiment the first or lowest primary stage 104 1 , having the diode D sn1 in order to limit the switching voltage of the switch S 1 .

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.At this point it should be pointed out that in the description of the above exemplary embodiments, all stages which do not have a clamping circuit according to the invention have the diode just mentioned for limiting the switch voltage. According to other embodiments, this diode can also be omitted, i. That is, the stages without clamping circuits according to the invention, according to further exemplary embodiments, have no additional diodes for clamping the switch voltage, or have other clamping circuits known from the prior art, such as RLC snubbers.

Ausführungsbeispiele zur Symmetrierung der Spannung an an den Eingangskondensatoren der GleichspannungswandlerschaltungEmbodiments for balancing the voltage at the input capacitors of the DC-DC converter circuit

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, welche die Symmetrierung der Spannungen an den Eingangskondensatoren CIn 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.Exemplary embodiments of the present invention are described below, which enable the balancing of the voltages at the input capacitors C In of the DC-DC converter circuit. The following exemplary embodiments enable the balancing of the voltages at the input capacitors of a DC/DC converter with galvanic isolation, that is to say with a secondary side, if a plurality of primary sides or primary stages are used.

Magnetische Kopplung der primärseitigen Induktivitäten bzw. WicklungenMagnetic coupling of the inductances or windings on the primary side

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 LWp1 bis LWpN.According to exemplary embodiments, the primary-side inductances or windings of the exemplary embodiments described above can be primary windings of one or more transformers, and, according to exemplary embodiments, a magnetic coupling of the primary-side windings can be provided for balancing. 21 shows an exemplary embodiment for balancing the voltages at the input capacitors by magnetic coupling of the primary-side windings of multi-stage DC voltage converters, namely the magnetic coupling of the inductances L Wp1 to L WpN .

Bei dem in 21 dargestellten Ausführungsbeispiel wird für alle Wicklungen LWpn der mehreren Primärstufen ein gemeinsamer magnetischer Kern K genutzt. Jede der Primärwicklungen LWpn besitzt die gleiche Anzahl von Windungen, so dass die magnetische Kopplung dafür sorgt, dass an jeder Wicklung LWpn 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.At the in 21 In the illustrated embodiment, a common magnetic core K is used for all windings L Wpn of the multiple primary stages. Each of the primary windings L Wpn has the same number of turns, so the magnetic coupling ensures that each winding L Wpn has the same voltage. Differences in the voltages on the windings are only possible due to the presence of the leakage inductance of each winding and result in a current flow.

Wenn die Schalter Sn der Primärstufen gleichzeitig leitend sind, wird an jede Primärwicklung die Spannung des Eingangskondensators CInn 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.If the switches S n of the primary stages are conductive at the same time, the voltage of the input capacitor C Inn of the respective primary stage is applied to each primary winding. Should the input capacitors have different voltages, a transient current forms across the magnetically coupled windings, which promotes balancing of the voltages. The compensating current only flows in the primary windings, which is why the secondary windings are shown in Fig 21 was waived.

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.In the case of converters with several transformers, i.e. without magnetic coupling of the windings, a different number of turns in the primary stages is possible in principle, since the transformation ratio is also decisive in this case. With different transformation ratios of the transformers of different stages, you can therefore compensate for different numbers of turns in the primary stages and still achieve a symmetrical distribution of the converter input voltage to the individual stages.

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.In principle, the clamp circuit according to the invention also enables the use of different numbers of turns, which results in a distribution of the converter input voltage to the individual stages that is proportional to the ratio of the number of turns.

Elektrische Kopplung der sekundärseitigen Induktivitäten bzw. WicklungenElectrical coupling of the inductances or windings on the secondary side

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 LWpn dargestellt, sowie die jeweils zugeordneten sekundärseitigen Induktivitäten bzw. Windungen LWsn. 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.According to further exemplary embodiments of the present invention, the balancing of the voltages at the input capacitors can be achieved by direct electrical coupling of the secondary windings in the form of a parallel circuit. 22 shows an embodiment of the electrical coupling of the secondary windings by connecting them in parallel. Similar to in 21 are in 22 the primary-side inductances L Wpn shown, as well as the associated secondary-side inductances or turns L Wsn . At the in 22 illustrated embodiment, the primary windings are not magnetically coupled, rather the secondary windings are connected in parallel. The parallel connection of the secondary windings can then be connected to the output 102 of the DC voltage converter, for example via a rectifier circuit 110 .

Wie in 22 dargestellt ist, kann mit einer Parallelschaltung der Sekundärwicklungen LWsn 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.As in 22 is shown, the balancing of the voltages at the input capacitors can also be achieved with a parallel connection of the secondary windings L Wsn . In this exemplary embodiment, a number of magnetic cores or a number of transformers are used, which can be advantageous, for example, in the case of very high voltages, since the insulation of the primary windings is simpler. Each transformer has the same transformation ratio, the number of turns can be different. As with the magnetic coupling, the same voltage is applied to each primary winding due to the parallel connection. Differences in voltages across the windings are only possible due to the presence of the leakage inductance of each winding and result in current flow. In this embodiment, not only does the leakage inductance between the primary windings have an effect, but also the leakage inductance to and between the secondary windings, since the compensating current must also flow through them.

Wenn die Schalter Sn der Primärzweige gleichzeitig leitend sind, wird an jede Primärwicklung die Spannung des Eingangskondensators CInn 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.If the switches S n of the primary branches are conductive at the same time, the voltage of the input capacitor C Inn of the respective primary stage is applied to each primary winding. If the input capacitors have different voltages, a compensating current will form via the electrically coupled secondary windings, as a result of which a compensating current will also form on the primary side and the voltages will thus be balanced.

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 LWpn, wobei jeder Primärstufe, ähnlich wie in 22, eine Sekundärstufe LWsn zugeordnet ist. Ferner ist jeder Sekundärwicklung eine Gleichrichterschaltung 110n zugeordnet und die entsprechenden Gleichspannungsausgänge 112n der Gleichrichterschaltungen 110n sind parallel geschaltet und mit dem Ausgang 102 der Schaltung verbunden.According to yet another exemplary embodiment of the present invention, the voltages at the input capacitors are balanced by connecting the DC outputs of the secondary stages in parallel. Similar to 22 also shows 23 schematically the primary stages with the primary windings L Wpn , each primary stage, similar to that in 22 , a secondary stage L Wsn is assigned. Furthermore, each secondary winding is assigned a rectifier circuit 110 n and the corresponding DC voltage outputs 112 n of the rectifier circuits 110 n are connected in parallel and connected to the output 102 of the circuit.

Durch die Parallelschaltung der DC-Ausgänge 1121, ... 112N 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.By connecting the DC outputs 112 1 , ... 112 N of the converter output stages in parallel, the voltages across the input capacitors can be balanced or stabilized, although the functional principle differs from that of magnetic coupling or parallel connection of the secondary windings . According to this exemplary embodiment, balancing takes place via the power consumption of the primary stages from their respective input capacitors. Assuming the same transformation ratios for all transformers, a higher voltage of an input capacitor for this primary stage leads to the takeover of a larger proportion of the output current, which also increases the current consumption of this stage on the primary side. Since the series connection of the primary stages means that only a common current can be drawn from the source, the current difference in this scenario must be taken over by the input capacitors, which means that they are recharged and their voltages are adjusted.

Gemäß wiederum weiteren Ausführungsbeispielen kann die Symmetrierung der Spannungen an den einzelnen Primärstufen durch die unabhängige Einregelung der Eingangsleistung einer jeden Primärstufe erfolgen. According to further exemplary embodiments, the balancing of the voltages at the individual primary stages can take place by independently adjusting the input power of each primary stage.

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 LWpn mit jeweiligen sekundärseitigen Wicklungen LWsn gekoppelt, ohne dass eine magnetische Kopplung der primärseitigen Wicklungen vorliegt. Die sekundärseitigen Wicklungen LWsn sind in Serie verschaltet und die Anschlüsse der Serienschaltung sind über die Gleichrichterschaltung 110 mit dem Ausgang 102 des Gleichspannungswandlers verbunden. 24 12 shows an embodiment for balancing the voltages on the input capacitors by controlling the power of each stage. According to the embodiment in 24 the primary-side windings L Wpn are coupled to respective secondary-side windings L Wsn without magnetic coupling of the primary-side windings. The windings L Wsn on the secondary side are connected in series and the terminals of the series circuit are connected via the rectifier circuit 110 to the output 102 of the DC-DC converter.

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 102N verbunden. Zwischen den Sekundärwicklungen und den jeweiligen Ausgängen ist jeweils eine Gleichrichterschaltung 1101 bis 110N vorgesehen. 25 FIG. 12 shows another embodiment for balancing the voltages on the input capacitors by controlling the power of each stage independently, but in a different way than the starting example according to FIG 24 separate outputs for the secondary side steps are provided. Unlike in 24 the secondary-side windings Lwsn are separated from one another and connected to separate outputs 102 1 to 102 N , respectively. A rectifier circuit 110 1 to 110 N is provided between the secondary windings and the respective outputs.

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.According to the 24 and in 25 In the exemplary embodiments illustrated, the voltages across the input capacitors are balanced by controlling the transmission power of the individual primary stages. The aim is for each primary stage to consume the same power on average, which ensures the symmetrical distribution of the source voltage to the individual input capacitors connected in series. Various circuit variants are possible for this operating mode, e.g. the one in 24 series connection of the secondary windings shown, or the in 25 illustrated complete separation of the secondary sides.

Weitere AusführugsbeispieleMore examples

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.The present invention, as described above with reference to the exemplary embodiments, provides a DC/DC converter that clamps the switch voltage(s) and recovers energy from the leakage inductance(s) using the clamping circuits of FIG 8th or 9 allows.

Gemäß Ausführungsbeispielen

  • - kann die Gesamtschaltung aus einer oder mehreren Primärstufen bestehen,
  • - wird beim Klemmen der Schalterspannung auf das n-fache der Eingangsspannung UInn einer Stufe, n*UInn, 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 Sn auf einen der Eingangskondensatoren einer höheren Primärstufe geklemmt werden, wobei beim Klemmen der Schalterspannung auf das n-fache der Eingangsspannung UInn einer Stufe, n*UIn, auf den Pluspol des Eingangskondensators CInn einer Stufe geklemmt wird, welcher n-1 Primärstufen höher liegt,
  • - kann je nach Anzahl der Primärstufen nicht nur auf das doppelte der Eingangsspannung UInn einer Stufe geklemmt werden, mit der Klemmschaltung gemäß 8 kann bei n Stufen auf bis zu n*UIn geklemmt werden, mit der Klemmschaltung gemäß 9 auf bis zu (n+1)*UIn, wobei
    • o bei der Klemmschaltung gemäß 8 die Reihenschaltung der beiden Dioden Dcl1n und Dcl2n beim Klemmen auf n*UIn 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 K1n einer Parallelschaltung der Stufe, mit welchem der erste Anschluss 200a der Klemmschaltung verbunden ist, und dem zweiten Anschluss K2n einer Parallelschaltungen der Stufe, deren Knotenpunkt K3n 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.
According to exemplary embodiments
  • - the overall circuit can consist of one or more primary stages,
  • - When the switch voltage is clamped to the n-fold of the input voltage U Inn of a stage, n*U Inn , a clamping circuit is only used in accordance with n-1 primary stages 8th or 9 needed,
  • - All other primary stages can be clamped with a diode from the first terminal 108an of the switch S n to one of the input capacitors of a higher primary stage, with clamping of the switch voltage to n times the input voltage U Inn of a stage, n*U In , to the positive pole of the input capacitor C Inn of a stage is clamped, which is n-1 primary stages higher,
  • - Depending on the number of primary stages, it can not only be clamped to twice the input voltage U Inn of a stage, with the clamping circuit according to 8th can be clamped at n levels up to n*U In , with the clamping circuit according to 9 up to (n+1)*U In , where
    • o according to the clamping circuit 8th the series connection of the two diodes D cl1n and D cl2n is connected between n input capacitors when clamped to n*U In ,
    • o according to the design of the clamping circuit 9 not only the number of input capacitors connected in series parallel to their first and second terminals 200a and 200b play a role, but also how many levels higher the connection of the first terminal 200a compared to the third terminal 200c of the clamp circuit according to 9 takes place (see, for example, the embodiment according to 19 ), where the sum C of the number A of input capacitors and the number B of input capacitors corresponds to the factor by which the clamping voltage is higher than the voltage of an input capacitor of a stage, where
      • • the number A of input capacitors includes those input capacitors which are connected in parallel to the first and second terminals 200a and 200b of the clamping circuit according to FIG 9 line up, and
      • • the number B of input capacitors includes those input capacitors which are connected between the first terminal K1 n of a parallel circuit of the stage to which the first terminal 200a of the clamping circuit is connected and the second terminal K2 n of a parallel circuit of the stage whose node K3 n is connected to the third terminal 200c of the clamp circuit according to 9 connected, lies, and
  • - the balancing of the voltages across the input capacitors can be done in different ways, eg by
    • o a magnetic coupling of the windings,
    • o an electric one. coupling of the secondary windings,
    • o an electric one. coupling on the secondary side after rectification,
    • o the same average power consumption of the individual primary stages,
  • - can the clamping circuits according to 8th and 9 be combined.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Induktivität Ln bzw. LWpn und der Schalter Sn einer Stufe so in Reihe verschaltet, dass der Schalter Sn einer Stufe zwischen den zweiten Anschluss 104bn der Stufe 104n und der Induktivität Ln bzw. LWpn geschaltet ist. Ein solcher Aufbau wird z.B. gewählt, wenn der Schalter Sn durch einen N-Ch-MOSFET realisiert wird.In the exemplary embodiments described above, the inductor L n or L Wpn and the switch S n of a stage are connected in series in such a way that the switch S n of a stage is connected between the second terminal 104b n of the stage 104 n and the inductor L n or L Wpn is switched. Such a structure is chosen, for example, when the switch S n is implemented by an N-Ch MOSFET.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen sind die Induktivität Ln bzw. LWpn und der Schalter Sn einer Stufe so in Reihe verschaltet, dass der Schalter Sn einer Stufe zwischen den ersten Anschluss 104an der Stufe 104n und der Induktivität Ln bzw. LWpn geschaltet ist. Ein solcher Aufbau wird z.B. gewählt, wenn der Schalter Sn durch einen P-Ch-MOSFET realisiert wird.According to further exemplary embodiments, the inductor L n or L Wpn and the switch S n of a stage are connected in series such that the switch S n of a stage is connected between the first terminal 104 on the stage 104 n and the inductor L n or L Wpn is. Such a structure is chosen, for example, when the switch S n is realized by a P-Ch MOSFET.

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.According to further exemplary embodiments, a DC-DC converter according to the invention includes a controller which is connected to control terminals of the actively controllable switching elements in order to apply suitable signals for switching the same to the conducting or blocking state. The controller can be designed, for example, in the form of a microcontroller.

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.Although some aspects of the concept described have been described in the context of a device, it is clear that these aspects also represent a description of the corresponding method, where a block or a device corresponds to a method step or a feature of a method step. Analogously, aspects that have been described in connection with a method step also represent a description of a corresponding block or a device or a feature of a corresponding device.

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.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It is understood that modifications and variations to the arrangements and details described herein will be apparent to those skilled in the art. The invention is therefore only to be limited by the scope of the patent claims below, not by the specific details in the above description and explanation of the exemplary embodiments.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 10135344 B2 [0008]US10135344B2 [0008]
  • DE 3634990 A1 [0008]DE 3634990 A1 [0008]
  • US 5734563 A [0008, 0014]US 5734563 A [0008, 0014]
  • US 4959764 A [0008, 0009, 0024, 0026, 0068]US4959764A [0008, 0009, 0024, 0026, 0068]
  • DE 102016117936 A1 [0008, 0015, 0024, 0027, 0084]DE 102016117936 A1 [0008, 0015, 0024, 0027, 0084]
  • US 4975821 A [0014]US4975821A [0014]
  • US 5126931 A [0014]US5126931A [0014]
  • US 5173846 A [0014]US5173846A [0014]
  • US 5303138 A [0014]US5303138A [0014]
  • US 5528482 A [0014]US5528482A [0014]
  • DE 4422409 A1 [0021, 0027]DE 4422409 A1 [0021, 0027]

Claims (20)

Gleichspannungswandler, mit: zumindest einer Stufe, wobei jede Stufe eine Parallelschaltung aus einem Eingangskondensator (CIn) und einer Reihenschaltung, welche zumindest eine Induktivität (LWp) und zumindest einen Schalter (Sn) aufweist, umfasst, wobei die Parallelschaltung der Stufe einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss mit dem Eingangskondensator (CIn) und der Induktivität (LWp) der Stufe verbunden ist, und wobei der zweite Anschluss der Parallelschaltung mit dem Eingangskondensator (CIn) und dem Schalter (Sn) der Primärstufe verbunden ist; wobei zumindest eine der Stufen eine Klemmschaltung umfasst, wobei die Klemmschaltung einen Energiepuffer (Csn) umfasst, welcher einen ersten Anschluss, welcher mit einem Knoten zwischen der Induktivität (LWp) und dem Schalter (Sn) der Stufe verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, und wobei die Klemmschaltung ausgebildet ist, den zweiten Anschluss des Energiepuffers (Csn) • während zumindest eines Teils eines sperrenden Zustandes des Schalters (Sn) der Stufen mit dem ersten Anschluss der Parallelschaltung einer der Stufen zu verbinden, und • während zumindest eines Teils eines leitenden Zustandes des Schalters (Sn) der Stufen über einen von dem Schalter der Stufe separaten Pfad mit dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung einer der Stufen zu verbinden.DC-DC converter, with: at least one stage, each stage comprising a parallel circuit made up of an input capacitor (C In ) and a series circuit which has at least one inductor (L Wp ) and at least one switch (S n ), the parallel circuit of the stage comprising a first terminal and a second terminal, the first terminal being connected to the input capacitor (C In ) and the inductor (L Wp ) of the stage, and the second terminal of the parallel circuit being connected to the input capacitor (C In ) and the switch (S n ) connected to the primary stage; wherein at least one of the stages comprises a clamp circuit, the clamp circuit comprising an energy buffer (C sn ) having a first terminal connected to a node between the inductance (L Wp ) and the switch (S n ) of the stage, and a having a second connection, and wherein the clamping circuit is designed to connect the second connection of the energy buffer (C sn ) • during at least part of a blocking state of the switch (S n ) of the stages to the first connection of the parallel circuit of one of the stages, and • during at least part of a conducting state of the switch (S n ) of the stages to the second terminal of the parallel circuit of one of the stages via a separate path from the switch of the stage. 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 (Sn) 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 (Sn) der Stufe separaten Pfad mit dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung der Stufe zu verbinden.DC converter according to claim 1 , with only one stage, which comprises the clamping circuit, wherein the clamping circuit is designed to connect the second terminal of the energy buffer • during at least part of a blocking state of the switch (S n ) of the stage to the first terminal of the parallel circuit of the stage, and • to connect during at least part of a conducting state of the stage switch via a separate path from the stage switch (S n ) to the second terminal of the parallel circuit of the stage. 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 (Csnn) der Klemmschaltung mit einem Knoten zwischen der Induktivität (LWpn) und dem Schalter (Sn) 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... SN) 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... SN) der N Stufen über einen von den Schaltern (Sn) 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.DC converter according to claim 1 , with at least N stages connected in series, with N ≥ 2, with at least one nth stage comprising the clamp circuit, with n = 1, ..., N, with the first terminal of the energy buffer (C snn ) of the clamp circuit having a node is connected between the inductance (L Wpn ) and the switch (S n ) of the nth stage, and wherein the clamping circuit is designed to clamp the second terminal of the energy buffer (Csnn) • during a blocking state of the switches (S 1 .. . S N ) of the N stages to the first terminal of the parallel circuit of the nth stage or to the first terminal of the parallel circuit of any of the series connected stages, and • during a conducting state of the switches (S 1 ... S N ) of the N stages via a separate path from the switches (S n ) to the second terminal of the parallel circuit of the nth stage or to the second terminal of the parallel circuit of any of the series connected stages. 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 (Csn1... Csnn) • während eines sperrenden Zustandes der Schalter (S1... SN) der N Stufen mit dem ersten Anschluss der Parallelschaltung gleicher oder verschiedener Stufen zu verbinden, und • während eines leitenden Zustandes der Schalter (S1... SN) der N Stufen über einen von den Schaltern (Sn) separaten Pfad mit dem zweiten Anschluss der Parallelschaltung gleicher oder verschiedener Stufen zu verbinden.DC converter according to claim 3 , in which at least two of the N stages each comprise a clamping circuit, the clamping circuits being formed, the second terminals of the energy buffers (C sn1 ... C snn ) • during a blocking state of the switches (S 1 ... S N ) of the to connect N stages to the first connection of the parallel connection of the same or different stages, and • during a conducting state of the switches (S 1 ... S N ) of the N stages via a path separate from the switches (S n ) to the second connection the parallel connection of the same or different stages. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 4, bei dem die Klemmschaltungen einen gleichen oder unterschiedlichen Aufbau haben.DC converter according to claim 4 , in which the clamping circuits have the same or different construction. 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 (Csn), bei sperrendem Schalter (Sn) in den Stufen mit dem ersten Anschluss der Klemmschaltung, und bei leitendem Schalter (Sn) in den Stufen mit dem zweiten Anschluss der Klemmschaltung zu verbinden.DC-DC converter according to one of the preceding claims, in which the clamping circuit comprises the following features: a first terminal which is connected to the first terminal of the parallel circuit of one of the stages, a second terminal which is connected to the second terminal of the parallel circuit of one of the stages, a third terminal connected to the node between the inductance and the switch of the stage, and circuitry configured to the second terminal of the energy buffer (C sn ) when the switch (S n ) in the stages is off with the first terminal of the clamping circuit, and with the conducting switch (S n ) in the stages to connect to the second terminal of the clamping circuit. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 6, bei dem die Schaltungsanordnung der Klemmschaltung folgende Merkmale umfasst: eine Reihenschaltung, welche zumindest eine erste Diode (Dcl1) und eine zweite Diode (Dcl2) aufweist, wobei die Reihenschaltung zwischen den ersten Anschluss der Klemmschaltung und den zweiten Anschluss der Klemmschaltung geschaltet ist, wobei der zweite Anschluss des Energiepuffers (Csn) mit einem Knoten zwischen der ersten Diode (Dcl1) und der zweiten Diode (Dcl2) 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 (Csn) mit einem Knoten zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter verbunden ist, oder einen Schalter, um den zweiten Anschluss des Energiepuffers (CIn) wahlweise mit dem ersten Anschluss der Klemmschaltung oder mit dem zweiten Anschluss der Klemmschaltung zu verbinden.DC converter according to claim 6 , in which the circuit arrangement of the clamping circuit comprises the following features: a series circuit which has at least a first diode (D cl1 ) and a second diode (D cl2 ), the series circuit being connected between the first terminal of the clamping circuit and the second terminal of the clamping circuit , where the second terminal of the energy buffer (C sn ) is connected to a node between the first diode (D cl1 ) and the second diode (D cl2 ), or a series circuit comprising at least a first switch and a second switch, the series circuit being connected between the first terminal of the clamp circuit and the second terminal of the clamp circuit is switched, the second terminal of the energy buffer (C sn ) being connected to a node between the first switch and the second switch, or a switch to selectively connect the second terminal of the energy buffer (C In ) to the to connect the first connection of the clamping circuit or to the second connection of the clamping circuit. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 7, bei dem die Klemmschaltung ferner folgende Merkmale umfasst: ein erstes Schaltungselement (Dsn), z.B. in Form zumindest eines Schalters oder zumindest einer Diode, welches zwischen den ersten Anschluss des Energiepuffers (Csn) und den dritten Anschluss der Klemmschaltung geschaltet ist; und ein zweites Schaltungselement (Ssn), z.B. in Form zumindest eines Schalters, welches zwischen den ersten Anschluss des Energiepuffers (Csn) und den ersten Anschluss der Klemmschaltung geschaltet ist.DC converter according to claim 7 , in which the clamping circuit further comprises the following features: a first circuit element (D sn ), for example in the form of at least one switch or at least one diode, which is connected between the first connection of the energy buffer (C sn ) and the third connection of the clamping circuit; and a second circuit element (S sn ), eg in the form of at least one switch, which is connected between the first connection of the energy buffer (C sn ) and the first connection of the clamping circuit. 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.DC-DC converter according to one of the preceding claims, in which the at least one stage is a primary stage of the DC-DC converter, the inductance of which is a primary winding of a transformer or at least one primary winding of one of the plurality of transformers, and the DC-DC converter comprises at least one secondary stage which comprises at least one inductance which is at least one secondary winding of the one or more transformers. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 9, mit zumindest einem elektrischen Ausgang, wobei die Sekundärstufen parallel oder seriell mit dem elektrischen Ausgang verschaltet sind.DC converter according to claim 9 , With at least one electrical output, the secondary stages being connected in parallel or in series with the electrical output. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 9, bei dem jede der Sekundärstufen einen elektrischen Ausgang umfasst.DC converter according to claim 9 , in which each of the secondary stages comprises an electrical output. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, mit einer oder mehreren sekundärseitigen Gleichrichterschaltungen.DC-DC converter according to one of claims 9 until 11 , with one or more rectifier circuits on the secondary side. 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.A DC/DC converter as claimed in any preceding claim, in which the inductances of series connected stages are magnetically coupled, for example by a common magnetic core. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 13, bei dem die Induktivitäten von in Reihe verschalteten Stufen die gleiche Anzahl von Windungen umfassen.DC converter according to Claim 13 , in which the inductances of stages connected in series have the same number of turns. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 13, bei dem die Induktivitäten von in Reihe verschalteten Stufen unterschiedliche Anzahlen von Windungen umfassen.DC converter according to Claim 13 , in which the inductances of stages connected in series have different numbers of turns. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Induktivitäten von in Reihe verschalteten Stufen magnetisch nicht gekoppelt sind.DC-DC converter according to one of claims 9 until 12 , in which the inductances of stages connected in series are not magnetically coupled. 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.DC converter according to Claim 16 , in which the inductances of the plurality of transformers have a different number of turns, and the transformation ratios of the respective transformers are selected in order to compensate for the different numbers of turns in the primary stages. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 16, bei dem die Induktivitäten der mehreren Transformatoren die gleiche Anzahl von Windungen umfassen.DC converter according to Claim 16 , where the inductances of the multiple transformers have the same number of turns. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers, welcher zumindest eine Stufe und zumindest eine Klemmschaltung mit einem Energiepuffer (Csn) umfasst, wobei jede Stufe eine Parallelschaltung aus einem Eingangskondensator (CIn) und einer Reihenschaltung, welche zumindest eine Induktivität (LWp) und zumindest einen Schalter (Sn) aufweist, umfasst, wobei die Parallelschaltung der Stufe einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss mit dem Eingangskondensator (CIn) und der Induktivität (LWp) der Stufe verbunden ist, und wobei der zweite Anschluss der Parallelschaltung mit dem Eingangskondensator (CIn) und dem Schalter (Sn) 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 (Csn) mit dem dritten Anschluss der Klemmschaltung verbunden ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: wiederholtes, z.B. zyklisches oder periodisches, Umschalten des Schalters (Sn) der Stufen zwischen einem sperrenden Zustand und einem leitenden Zustand; während zumindest eines Teils eines sperrenden Zustandes des Schalters (Sn) der Stufen, Verbinden des zweiten Anschlusses des Energiepuffers (Csn) mit dem ersten Anschluss der Klemmschaltung, und während zumindest eines Teils eines leitenden Zustandes des Schalters (Sn) der Stufen, Verbinden des zweiten Anschlusses des Energiepuffers (Csn) mit dem zweiten Anschluss der Klemmschaltung.Method for operating a DC-DC converter, which comprises at least one stage and at least one clamping circuit with an energy buffer (C sn ), each stage being a parallel circuit composed of an input capacitor (C In ) and a series circuit comprising at least one inductance (L Wp ) and at least one switch (S n ), wherein the parallel circuit of the stage comprises a first terminal and a second terminal, the first terminal being connected to the input capacitor (C In ) and the inductance (L Wp ) of the stage, and the second Terminal of the parallel circuit is connected to the input capacitor (C In ) and the switch (S n ) of the primary stage, the clamping circuit having a first terminal connected to the first terminal of the parallel circuit of one of the stages, a second terminal connected via one of the switches of the steps separate path with the second connection of the parallel connection of a de r stages, and comprising a third terminal connected to the node between the inductance and the switch of the stage, and wherein a first terminal of the energy buffer (C sn ) is connected to the third terminal of the clamp circuit, and wherein the Method includes the following steps: repeated, e.g. cyclic or periodic, switching the switch (S n ) of the stages between a blocking state and a conducting state; during at least part of a blocking state of the switch (S n ) of the stages, connecting the second terminal of the energy buffer (C sn ) to the first terminal of the clamping circuit, and during at least part of a conducting state of the switch (S n ) of the stages, connecting the second terminal of the energy buffer (C sn ) to the second terminal of the clamp circuit. Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem der erste Anschluss des Energiepuffers (Csn) direkt oder über ein schaltendes Element, z.B. einen Schalter oder eine Diode, mit dem dritten Anschluss der Klemmschaltung verbunden ist.procedure according to claim 19 , in which the first connection of the energy buffer (C sn ) is connected directly or via a switching element, eg a switch or a diode, to the third connection of the clamping circuit.
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3634990A1 (en) 1985-11-28 1987-06-04 Schrack Elektronik Ag Low-loss voltage limiting network for isolating transformers or flux converters
US4959764A (en) 1989-11-14 1990-09-25 Computer Products, Inc. DC/DC converter switching at zero voltage
US4975821A (en) 1989-10-10 1990-12-04 Lethellier Patrice R High frequency switched mode resonant commutation power supply
US5126931A (en) 1990-09-07 1992-06-30 Itt Corporation Fixed frequency single ended forward converter switching at zero voltage
US5173846A (en) 1991-03-13 1992-12-22 Astec International Ltd. Zero voltage switching power converter
US5303138A (en) 1993-04-29 1994-04-12 At&T Bell Laboratories Low loss synchronous rectifier for application to clamped-mode power converters
DE4422409A1 (en) 1994-06-29 1996-01-11 Fraunhofer Ges Forschung Method and device for exchanging charges between a plurality of energy stores or converters connected in series
US5734563A (en) 1995-06-01 1998-03-31 Nec Corporation Synchronous rectification type converter
DE102016117936A1 (en) 2015-09-22 2017-04-13 Infineon Technologies Austria Ag System and method for a switching power supply having a transformer with multiple primary windings
US10135344B2 (en) 2016-07-13 2018-11-20 Silanna Asia Pte Ltd Lossless snubber circuits

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3818311A (en) * 1972-11-03 1974-06-18 Ibm Protective circuit for semi-conductor switch
DE3537536A1 (en) * 1985-10-22 1987-04-23 Walter Hirschmann Single-ended flyback converter or forward converter having a low blocking voltage, for the switching transistor
US6115271A (en) * 1999-10-04 2000-09-05 Mo; Chan Ho Simon Switching power converters with improved lossless snubber networks
KR101017017B1 (en) 2006-01-10 2011-02-23 삼성전자주식회사 DC to DC Converter
US7649757B2 (en) 2007-10-16 2010-01-19 Leadtrend Technology Corp. Leakage-inductance energy recycling circuit and flyback converter with leakage-inductance energy recycling circuit
FR2959892B1 (en) * 2010-05-06 2013-07-05 Sagem Defense Securite CUTTING CONVERTER HAVING A SWITCHING ASSIST CIRCUIT
GB2509982B (en) * 2013-01-22 2015-05-27 Tdk Lambda Uk Ltd Converter
US10545549B2 (en) * 2016-08-12 2020-01-28 Silanna Asia Pte Ltd AC/DC power adapter with accessible internal memory

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3634990A1 (en) 1985-11-28 1987-06-04 Schrack Elektronik Ag Low-loss voltage limiting network for isolating transformers or flux converters
US4975821A (en) 1989-10-10 1990-12-04 Lethellier Patrice R High frequency switched mode resonant commutation power supply
US4959764A (en) 1989-11-14 1990-09-25 Computer Products, Inc. DC/DC converter switching at zero voltage
US5126931A (en) 1990-09-07 1992-06-30 Itt Corporation Fixed frequency single ended forward converter switching at zero voltage
US5173846A (en) 1991-03-13 1992-12-22 Astec International Ltd. Zero voltage switching power converter
US5303138A (en) 1993-04-29 1994-04-12 At&T Bell Laboratories Low loss synchronous rectifier for application to clamped-mode power converters
US5528482A (en) 1993-04-29 1996-06-18 At&T Corp. Low loss synchronous rectifier for application to clamped-mode power converters
DE4422409A1 (en) 1994-06-29 1996-01-11 Fraunhofer Ges Forschung Method and device for exchanging charges between a plurality of energy stores or converters connected in series
US5734563A (en) 1995-06-01 1998-03-31 Nec Corporation Synchronous rectification type converter
DE102016117936A1 (en) 2015-09-22 2017-04-13 Infineon Technologies Austria Ag System and method for a switching power supply having a transformer with multiple primary windings
US10135344B2 (en) 2016-07-13 2018-11-20 Silanna Asia Pte Ltd Lossless snubber circuits

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