DE102004062401A1

DE102004062401A1 - Leistungswandler

Info

Publication number: DE102004062401A1
Application number: DE102004062401A
Authority: DE
Inventors: Mark B. Hirst
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2005-08-18
Also published as: GB2410384A; TW200525326A; GB2410384B; US20050162870A1; JP2005210894A; GB0501203D0

Abstract

Ausführungsbeispiele von Verfahren, Systemen, Vorrichtungen und/oder Schaltungen für einen Leistungswandler werden beschrieben.

Description

Diese Offenbarung bezieht sich auf Leistungswandler, wie z. B. Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler.
Eine Leistungsumwandlung hat normalerweise einen bestimmten Betrag von Leistungsverlust zur Folge als Konsequenz des Umwandlungsprozesses. Ein Beispiel ist die Umwandlung von Wechselstrom- (AC-) zu Gleichstrom- (DC-) Leistung. Somit sind neue Verfahren und/oder Techniken, um eine Leistungsumwandlung zu erreichen, die einen verbesserten Wirkungsgrad zur Folge haben, weiterhin erwünscht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, eine Schaltung, ein Verfahren zum Umwandeln von Leistung und ein System mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 43, eine Schaltung gemäß Anspruch 11, ein Verfahren gemäß Anspruch 25 sowie ein System gemäß Anspruch 34 gelöst.

Der Gegenstand wird insbesondere in dem abschließenden Abschnitt der Beschreibung dargelegt und eindeutig beansprucht. Der beanspruchte Gegenstand kann jedoch, sowohl was die Organisation als auch das Betriebsverfahren angeht, zusammen mit Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen desselben am besten durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung verstanden werden, wenn dieselbe mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird. Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm, das eine grobe Beschreibung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Leistungswandlers veranschaulicht;

2 ein Schaltungsdiagramm, das ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers veranschaulicht; und

3 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels, das eine typische Anwendung eines Leistungswandlers veranschaulicht.

Ausführungsbeispiele von Systemen, Vorrichtungen, Geräten und/oder Verfahren zum Zeitschlitzleistungsschalten werden beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen wurden bekannte Schaltungen, Strukturen und/oder Techniken nicht im Detail gezeigt, um die bereitgestellte Beschreibung nicht unnötig undeutlich zu machen.

Eine Bezugnahme in dieser Beschreibung auf „ein Ausführungsbeispiel" bedeutet, dass ein bestimmtes beschriebenes Merkmal, eine Struktur und/oder Charakteristik in zumindest einem Ausführungsbeispiel enthalten sein kann. Somit bezieht sich das Auftauchen des Ausdrucks „bei einem Ausführungsbeispiel" an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung normalerweise nicht auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel oder das gleiche Ausführungsbeispiel. Außerdem können verschiedene Merkmale, Strukturen und/oder Charakteristika, die in dieser Beschreibung beschrieben sind, in jeder geeigneten Weise bei einem oder mehr Ausführungsbeispielen kombiniert sein.

Eine Leistungsumwandlung hat normalerweise als Konsequenz des Umwandlungsprozesses einen bestimmten Betrag von Leistungsverlust zur Folge. Ein Beispiel ist die Umwandlung von Wechselstrom- (AC-) zu Gleichstrom- (DC-) Leistung. Somit sind neue Verfahren und/oder Techniken, um eine Leistungs umwandlung zu erreichen, die einen verbesserten Wirkungsgrad zur Folge haben, weiterhin erwünscht.

1 ist ein Blockdiagramm, das grob ein Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers veranschaulicht. Dieses bestimmte Ausführungsbeispiel, das in 1 mit 400 bezeichnet ist, wandelt von Wechselstromleistung zu Gleichstromleistung um, obwohl der beanspruchte Gegenstand bzgl. des Schutzbereiches nicht nur auf eine Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungsumwandlung beschränkt ist. Das Ausführungsbeispiel 400 umfasst einen oder mehr Wechselstromleistungsschalter 460. Dieser oder diese Leistungsschalter können jede beliebige Form aufweisen, wie z. B. Relais, Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren (FETs), Metalloxidhalbleiter- (MOS-) Transistoren und dergleichen. Wie es ferner in 1 veranschaulicht ist, wird eine Spannung V durch eine Wechselstromleistungsquelle 440 an den oder die Schalter 460 angelegt. Desgleichen liefert ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) 430 eine Schaltfrequenz f an den oder die Schalter 460. Somit wird durch den oder die Schalter 460 eine Wechselstromleistung an einen Leistungswandler 470 angelegt. Obwohl der beanspruchte Gegenstand bzgl. des Schutzbereiches in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist, kann der Leistungswandler bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel die Form eines Trenntransformators annehmen, wie es im Folgenden genauer beschrieben ist. Ebenfalls bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel kann die angelegte Leistung durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden: P = ½ C V2 f [1]wobei P die Leistung ist; C eine Konstante ist, die bei einem Ausführungsbeispiel, das z. B. eine Ladungspumpe verwendet, mit der Kapazität in Beziehung stehen kann, wie es im Folgenden genauer erläutert wird; V die effektive (RMS-) Spannung der angelegten AC-Leistungsquelle ist; und f die Schaltfrequenz ist. Somit variiert bei diesem Ausfüh rungsbeispiel die Leistung im Wesentlichen linear mit der Schaltfrequenz.
Eine Rückkopplung kann durch ein Verwenden eines VCO 430 zusammen mit einem Referenzspannungspegel 410 und einem Fehlerverstärker 420 erreicht werden, obwohl es sich hierbei nur um ein Beispiel handelt und viele unterschiedliche Schemata für eine Rückkopplung in dem Schutzbereich der beigefügten Ansprüche enthalten sind. Somit wird bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel das Spannungsausgangssignal V_OUT, das durch den Wandler 470 erzeugt wird, mit einem Spannungsreferenzsignalpegel V_ref 410 verglichen, und der Fehler oder die Differenz wird an den VCO 430 angelegt. Folglich kann der VCO 430 die Schaltfrequenz einstellen, was die Leistung und gleichermaßen das Spannungsausgangssignal beeinflussen kann.
2 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Obwohl es sich bei 2 um ein Schaltungsdiagramm handelt, wird darauf hingewiesen, dass 2 keine Details beinhaltet, die unnötig sind, um ein Verständnis des Gegenstandes zu vermitteln. Zum Beispiel sind Schalterabschaltschutzdämpfer und/oder regenerative Ladungspumpendämpfer nicht veranschaulicht. Gleichermaßen ist dies ein zusätzliches exemplarisches Ausführungsbeispiel und der beanspruchte Gegenstand ist bzgl. des Schutzbereichs nicht auf dieses bestimmte Ausführungsbeispiel beschränkt. Viele andere Ausführungsbeispiele sind möglich, die in den Schutzbereich des beanspruchten Gegenstandes fallen.
Mit jetziger Bezugnahme auf 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel 100 erneut eine mögliche Ausführung eines Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers, aber der beanspruchte Gegenstand ist nicht auf Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler beschränkt. Zum Beispiel können andere Leistungswandler, wie z. B. Gleichstromwandler, Strom-Spannungs-Wandler und dergleichen, in den Schutzbereich des beanspruchten Gegen stands fallen. Dieses bestimmte Ausführungsbeispiel umfasst jedoch einen Trenntransformator 110. Dieses bestimmte Ausführungsbeispiel weist speziell einen spannungsgespeisten, reihenresonanten, transformatorgetrennten Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungswandler auf. Genauer gesagt wird die Spannung direkt an eine Transformatorspule 290 angelegt, und die Spule 290 befindet sich in einer Schaltungsschleife in Reihe mit anderen Schaltungskomponenten, um einen Frequenzresonanzbetrieb zu erzeugen, wenn Spannung angelegt wird.
Dieses Ausführungsbeispiel weist hier auch zwei Transistortotempfahlkonfigurationen 120 und 130 auf; die Konfiguration 120 ist hier mit einer Wechselstrom-Leitung 140 gekoppelt, und die Konfiguration 130 ist mit einem Wechselstrom-Neutralleiter 150 gekoppelt. Gleichermaßen koppelt ein Tor oder ein Anschluss einer Pumpenkapazitätsvorrichtung 160 zwischen den Konfigurationen 120 und 130 an einer Position 125, um die Spule 290 des Transformators 110 über das andere Tor oder den anderen Anschluss der Kapazitätsvorrichtung 160 zu treiben oder Spannung daran anzulegen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass alternativ dazu die Pumpenkapazitätsvorrichtung zwischen die Spule 290 und die Konfiguration 130 gekoppelt sein kann, wie es gezeigt ist. Somit kann jede der Positionen verwendet werden, abhängig von der Erwünschtheit. Wenn jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel die alternative Position nicht verwendet würde, wäre die Spule 290 durch eine Kurzschlussverbindung mit der Konfiguration 130 gekoppelt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Transistoren bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel N-Typ-Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren, hier MOSFETs, aufweisen, obwohl der beanspruchte Gegenstand natürlich nicht auf MOS-Vorrichtungen, FET-Vorrichtungen, N-Typ- oder P-Typ-Vorrichtungen oder sogar auf ein Verwenden von Transistoren beschränkt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Konfiguration 120 jedoch MOSFETs 122 und 124 auf, und die Konfiguration 130 weist MOSFETs 132 und 134 auf. Gleichermaßen wird darauf hingewiesen, dass die Dioden, die in 2 als über die jeweiligen MOSFETs gezeigt sind, parasitäre Dioden aufweisen. Somit liefert ein Koppeln der MOSFETs, um eine Totempfahlkonfiguration zu bilden, wie es bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist, einen Vorteil, der darin liegt, dass die parasitären Dioden sich hier einander gegenüberliegen.
Eine Treiberschaltungsanordnung 170 treibt die MOSFETs bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel, wie es ferner in 2 veranschaulicht ist. Bei der Konfiguration 120 treibt ein Gatetreibertransformator 180 die MOSFETs 122 und 124, obwohl der beanspruchte Gegenstand natürlich nicht auf ein Verwenden eines Gatetreibertransformators beschränkt ist. Als ein Beispiel hätte alternativ ein Lösungsansatz mit einem optischen Isolator verwendet werden können. Eine elektrische Trennung kann hier erwünscht sein, so dass bei der Konfiguration 120 eine Spannung verwendet werden kann, die die Vorspannungsspannung der Treiberschaltungsanordnung 170 übersteigt.
Das Ausführungsbeispiel 100 umfasst andere Komponenten, die in 1 veranschaulicht sind. Zum Beispiel ist ein Eingangsleistungsfilter durch eine Induktivität 230, die als L₁ bezeichnet ist, eine Kapazität 220, die als C₁ bezeichnet ist, und eine Kapazität 245, die als C_a bezeichnet ist, gebildet. Dieses Eingangsleistungsfilter wird gewöhnlich als ein „pi"-Filter bezeichnet aufgrund der Struktur, die der Form des mathematischen Symbols π ähnelt. Dieses Filter kann zumindest zum Teil verwendet werden, um den diskontinuierlichen Hochfrequenzstrom, der dem Trenntransformator 110 zugeführt wird, derart zu glätten, dass der sich ergebende Strom, der durch L₁ fließt, ein relativ glatter kontinuierlicher Strom mit einer relativ kleinen Menge von Welligkeitsstrom ist. Der Welligkeitsstrom wird sich im Allgemeinen einer Sinuskurve mit mehreren Frequenzkomponenten annähern. Die dominanten Welligkeitsstromfrequenzen befinden sich bei der Treiberfrequenz der MOSFETs und bei der Resonanzfrequenz des Kondensators 160 und des Transformators 110.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Kapazität von 220 im Allgemeinen zehnmal oder mehr größer sein als die Kapazität von 245. Die Werte der Induktivität 230 und der Kapazität 220 können derart ausgewählt sein, dass ihre Resonanzfrequenz sich in der Größenordnung von 1/5 des unteren Endes der erwünschten Treiberfrequenz der Schalter bei dem Leistungswandler bei diesem Ausführungsbeispiel befindet. Zusätzlich können bei diesem Ausführungsbeispiel die Werte der Induktivität 230 und der Kapazität 220 ferner derart ausgewählt sein, dass ihre Resonanzfrequenz etwa zehnmal die Frequenz der Eingangswechselstromleistung beträgt, die an Eingangsanschlüssen 140 und 150 geliefert wird. Zum Beispiel kann der Kondensator 220 einen Wert von etwa 4 μF aufweisen, und der Kondensator 245 kann einen Wert von etwa 0,44 μF aufweisen. Gleichermaßen kann der Induktor 230 einen Wert von etwa 100 μH aufweisen. Natürlich handelt es sich hierbei nur um Beispielwerte. Somit können abhängig von dem bestimmten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Faktoren in die Auswahl von Komponenten mit hineinspielen, wie z. B. ein Filtern des Eingangswechselstroms von 50 – 60 Hz, um die Wechselstrom-Welligkeitskomponente zu reduzieren, ein Filtern geleiteter Emissionen, um jede Potentialinjektion in die Wechselstromleistungsquelle zu reduzieren. Im Allgemeinen ist es bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel erwünscht, Komponentenwerte zu wählen, die sich im Wesentlichen in Übereinstimmung mit der folgenden Beziehung befinden: 1/(2π ((L1C1) ^ 1/2)) < f < 1/(2π ((LTCP) ^ 1/2)) [2]wobei sich L_T auf die Induktivität des Transformators 110 bezieht und die anderen Werte in 2 definiert sind.
In Fällen, bei denen die Leistungsübertragung dadurch begrenzt sein kann, dass die Schaltfrequenz der Resonanz frequenz von C_P und L_T nahezu gleich wird, kann der Wert von C_P gleichermaßen eingestellt werden, um die Energie, die bei einem Schaltübergang übertragen wird, zu erhöhen. Zum Beispiel kann ein Erhöhen von C_P um einen Faktor 2 die Energie, die bei einem Schaltübergang übertragen wird, verdoppeln, obwohl dies auf Kosten eines Verringerns der zulässigen Schaltfrequenz um einen Faktor 1/(Quadratwurzel von 2) erfolgt. Nach einem Anwenden der Beziehung [1] ist das Endergebnis jedoch eine Zunahme der Leistung, die der Wandler übertragen kann, um einen Faktor der Quadratwurzel von 2 (oder etwa 1,414).
Mit erneuter Bezugnahme auf 2 liefern ein Kondensator 250 und ein Widerstand 260 zusammen einen Mechanismus, um die Treiberschaltungsanordnung 170 während der Dauer des Zyklus, bei dem der Pumpenkondensator 160 inaktiv oder am Wiederaufladen ist, vorzuspannen. Ein Widerstand 210 ist über die Konfiguration 120 gekoppelt, um einen Biasstrom an die Leistungstreiberschaltung 170 zu liefern, wenn die Konfigurationen 120 und 130 beide „abgeschaltet" sind. Es wird natürlich darauf hingewiesen, dass der beanspruchte Gegenstand bzgl. des Schutzbereichs nicht auf eine Schaltung beschränkt ist, die diskrete Komponenten umfasst. Somit liefern Schaltungskomponenten oder -elemente, die hauptsächlich einen Widerstand, eine Induktivität und/oder eine Kapazität liefern (aber nicht ausschließlich), mehr als eine ausreichende Leistung und sind in dem Schutzbereich des beanspruchten Gegenstandes enthalten. In diesem Zusammenhang können derartige Elemente und/oder Komponenten im Folgenden als Widerstände, Induktoren bzw. Kondensatoren bezeichnet werden. Somit kann z. B. eine Pumpenkapazitätsvorrichtung 160, die z. B. an einer integrierten Schaltung in Silizium ausgeführt sein kann, im Folgenden als Kondensator 160 bezeichnet werden ohne einen Verlust der Verallgemeinerung.
Bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel wird ein optischelektronisches Trennungssystem verwendet, um ein Rückkopp lungssignal zu liefern, obwohl natürlich viele andere Mechanismen verwendet werden können, um eine Rückkopplung zu liefern, und in dem Schutzbereich des beanspruchten Gegenstandes bleiben, wie es z. B. im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist. Außerdem müssen einige Ausführungsbeispiele innerhalb des Schutzbereichs des beanspruchten Gegenstandes nicht unbedingt einen Rückkopplungsmechanismus verwenden; bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel kann jedoch eine lichtemittierende Diode 270 ein Rückkopplungssignal an eine optische Empfängervorrichtung 280, wie z. B. einen optoelektronischen Transistor, liefern. Somit kann die Vorrichtung 280 z. B. den Betrieb der Treiberschaltungsanordnung 170 beeinflussen, um die Frequenz des Treibersignals einzustellen, das bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel über die Treiberschaltungsanordnung 170 an den Gatetreibertransformator 180 angelegt wird.
Das Ausführungsbeispiel 100 von 2 kann gemäß dem folgenden Verfahren wirksam sein, obwohl der beanspruchte Gegenstand natürlich bzgl. des Schutzbereichs nicht auf dieses bestimmte Verfahrensausführungsbeispiel beschränkt ist. Ein Eingangswechselstromsignal kann an die Eingangsfilterkomponenten, den Kondensator 245, den Induktor 220 und den Kondensator 230 angelegt werden. Das gefilterte Signal wird somit über die Konfigurationen 120 und 130 und somit über die Spule 290 des Trenntransformators 110 angelegt. Die Sekundärwicklungen des Transformators 110 sind bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel mit Dioden 301 und 303 gekoppelt, um einen Mittelabgriffvollwellengleichrichter zu erzeugen. Ein Kondensator 240 liefert eine Volumenkapazität, um einen Strom zu liefern und V_OUT zu stabilisieren, wenn die Dioden 301 oder 303 nicht leiten.
Angenommen, dass die Treiberschaltungsanordnung 170 ein Treibersignal an den Gatetreibertransformator 180 anlegt, schalten sich die Transistoren 122 und 124, hier MOSFETs, an und leiten Strom, während die Transistoren 132 und 134 abgeschaltet werden und sich in einem nichtleitenden Zu stand befinden. Folglich lädt der Ladungspumpenkondensator 160 mit einer angenommenen positiven Ladung an einer Verbindung 125. Der Kondensator 160 und die Induktivität des Transformators 110 bilden ein Resonanzsystem, derart, dass der Strom, der durch 160 und eine Primärwicklung 290 fließt, auf eine sinusförmige Weise gleichmäßig in Resonanz ist, bis der Kondensator 160 voll geladen ist. Ein Strom fließt durch die Primärwicklung, und die Magnetschaltung des Transformators 110 hat zur Folge, dass Strom in einer Sekundärwicklung 295 fließt. 2 umfasst mehrere Symbole, die als Punkte bezeichnet werden. Punkte 291, 292 und 293 sind auf dem Transformator 110 markiert. Gemäß Magnetschaltungspunktnotierungsregeln bewirkt ein Stromfluss in den Punkt 291, dass ein Strom aus dem Punkt 292 und aus dem Punkt 293 fließt. Die Diode 301 leitet, wenn ein Strom aus dem Punkt 292 fließt, wodurch Energie zu einem Volumenspeicherkondensator 240 übertragen wird. Die Diode 303 ist konfiguriert, um einen Stromfluss aus dem Punkt 293 zu unterbinden, wenn ein Strom in den Punkt 291 fließt. Nachdem der Kondensator voll geladen ist, bleibt die Konfiguration 120 in einem leitfähigen Zustand, obwohl kein Strom fließt, bis die Treiberschaltungsanordnung 170 den Entladezyklus startet.
Die Treiberschaltungsanordnung 170 ist so konzipiert, dass, nachdem das Treibersignal an den Gatetreibertransformator 180 nicht mehr angelegt ist, eine Verzögerung von etwa 100 Nanosekunden (ns) angelegt wird, bevor ein Treibersignal angelegt wird, um die Transistoren 132 und 134 der Konfiguration 130 zu treiben. Diese Verzögerung wird gewöhnlich als ein „Austastintervall" bezeichnet. Die Verzögerung verringert das Risiko, der Konfiguration 130 Energie zuzuführen, bevor kein Strom mehr in der Konfiguration 120 fließt. Ein weiteres Austastintervall wird nach einem Abschalten der Konfiguration 130 und vor einem Anschalten der Konfiguration 120 angelegt. Es wird darauf hingewiesen, dass es viele verschiedene Mechanismen gibt, um das Austastintervall oder eine Zeitverzögerung zu erzeugen, und der beanspruchte Gegenstand ist nicht auf irgendeinen bestimmten Lösungsansatz beschränkt. Zum Beispiel kann eine RC-Schaltung verwendet werden, oder alternativ dazu könnte eine Digitalverzögerung verwendet werden, um nur einige Beispiele zu liefern.
Sobald der Konfiguration 130 Energie zugeführt wird, startet ein Resonanzstrom einen Rückfluss durch den Kondensator 160 und die Primärwicklung 290. Der Kondensator 160 und die Induktivität des Transformators 110 sind erneut ein Resonanzsystem, derart, dass der Strom, der durch 160 und die Primärwicklung 290 fließt, auf eine sinusförmige Weise gleichmäßig in Resonanz ist, bis der Kondensator 160 voll entladen ist. Ein Stromrückfluss durch die Primärwicklung 290 der Magnetschaltung des Transformators 110 hat zur Folge, dass ein Rückwärtsstrom in der Sekundärwicklung 295 fließt. In diesem Fall fließt ein Strom aus dem Punkt 291, was bewirkt, dass ein Strom in die Punkte 292 und 293 fließt. Die Diode 301 unterbindet nun einen Stromfluss in den Punkt 292, während die Diode 303 einen Stromfluss in den Punkt 293 ermöglicht, wodurch Energie zu dem Volumenspeicherkondensator 240 übertragen wird.
Das im Vorhergehenden beschriebene Ausführungsbeispiel liefert eine Vielzahl von Vorteilen, obwohl der beanspruchte Gegenstand nicht unbedingt bzgl. des Schutzbereichs auf Ausführungsbeispiele beschränkt ist, die diese Vorteile aufweisen. Dieses bestimmte Ausführungsbeispiel ermöglicht z. B. eine direkte Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungsumwandlung ohne eine Gleichrichtung auf der Wechselstrom-Primärseite des Systems und ergibt eine Leistungsübertragung, bei der es sich zumindest im Wesentlichen um eine lineare Funktion der Treiberfrequenz handelt. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht auch, dass die Transistoren bei im Wesentlichen einem Nullstrom an- und abgeschaltet werden, wodurch die Schaltverluste reduziert werden und der Leistungswandlerwirkungsgrad verbessert wird. Außerdem reduziert die Topologie des Entwurfs Wechselstromober schwingungen durch ein Auswählen von f im Wesentlichen gemäß der Beziehung [2] und liefert einen Leistungsfaktor von nahezu Eins für angemessene Lasten ohne die Kosten, die Schaltungskomplexität und/oder den Leistungsverlust einer zusätzlichen Leistungsfaktorkorrekturschaltungsanordnung. Gleichermaßen verringern die Beseitigung einer Primärgleichrichtung und die Verwendung eines im Wesentlichen Nullstromtransistorschaltens anstelle eines Hartschaltens abgestrahlte Emissionen und geleitete Emissionen, was in einigen Situationen der Gegenstand von Begrenzungsvorschriften sein kann.
Wie es durch die oben genannte Beziehung [2] angedeutet ist, kann es erwünscht sein, die Schaltfrequenz so auszuwählen, dass dieselbe niedriger ist als diejenige der Resonanzfrequenz des Ladungspumpenkondensators und der Induktivität des Trenntransformators, obwohl der beanspruchte Gegenstand in dieser Hinsicht bzgl. des Schutzbereichs nicht beschränkt ist. Dämpfen ist bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel relativ hoch, was ermöglicht, dass die Wandlerschaltfrequenz von einer relativ niedrigen Frequenz, wie z. B. 10 kHz, bis zu nahezu der Resonanzfrequenz reicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Leistungsübertragung im Wesentlichen eine lineare Funktion der Frequenz, die durch die Beziehung [1] gegeben ist, die im Vorhergehenden bereitgestellt wurde und im Folgenden wiederholt ist: P = ½ C V2 f [1]wobei hier P die Leistung ist, C nun der Wert der Ladungspumpenkapazität 160 ist, V die RMS-Spannung der Leistungsquelle ist, die an die Anschlüsse 140 und 150 des Leistungswandlers angelegt ist, und f die Schaltfrequenz des Leistungswandlers ist.
Zum Beispiel kann ein Ausführungsbeispiel eines Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers, wie es z. B. im Vorhergehenden als ein Beispiel beschrieben ist, verwendet werden, wie es in 3 demonstriert ist. Ein Ausführungsbeispiel 300 weist hier eine Gleichspannung verbrauchende Vorrichtung 310 und einen Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungswandler 320 auf. Wie es veranschaulicht ist, kann das Ausführungsbeispiel 300 mit einer Wechselstromleistungsquelle gekoppelt sein, um eine Wechselstromleistung zu empfangen, wie z. B. eine Wechselspannung. Hier kann der Wandler 320 dann verwendet werden, um eine Wechselspannung zu einer Gleichspannung umzuwandeln. Die Gleichspannung, die durch den Wandler 320 erzeugt wird, kann dann an die Vorrichtung 310 angelegt werden. Hier kann die Vorrichtung 310 jede beliebige einer Anzahl von Vorrichtungen aufweisen, die Gleichstrom-Leistung verbrauchen, wie z. B. einen Tischcomputer, einen Laptop, eine Hauptplatine für derartige Vorrichtungen, einen PDA oder eine andere tragbare Rechenvorrichtung und/oder eine ähnliche Rechenvorrichtung. Gleichermaßen kann die Vorrichtung 310 ein Gerät aufweisen, wie z. B. eine Kaffeemaschine und/oder einen Wecker, eine Verbraucherelektronikvorrichtung, wie z. B. eine Audioausrüstung, einen DVD-Spieler, einen CD-Spieler, einen Fernseher, eine Kamera, wie z. B. eine Digitalkamera, und/oder anderes. Die Vorrichtung 310 kann eine Kommunikationsvorrichtung aufweisen, wie z. B. ein Telefon, ein drahtloses Telefon, eine Netzkommunikationsvorrichtung, wie z. B. einen Router, einen Netzknoten und/oder andere. Die Vorrichtung 310 kann auch eine Peripherievorrichtung aufweisen, wie z. B. ein Computerperipheriegerät, einschließlich z. B. ein Fax, einen Kopierer, einen Drucker, einen Scanner und/oder andere. Gleichermaßen kann die Vorrichtung 310 Kombinationen der vorhergehenden Vorrichtungen und/oder Gleichstromleistung verbrauchende Vorrichtungen aufweisen, die nicht explizit erwähnt sind, einschließlich Kombinationen. Der beanspruchte Gegenstand soll deshalb jede beliebige und alle Gleichstromleistung verbrauchenden Vorrichtungen, die derzeit bekannt sind oder später entwickelt werden, abdecken.
Bei der vorhergehenden Beschreibung wurden verschiedene Aspekte des beanspruchten Gegenstandes beschrieben. Zu Erläuterungszwecken wurden spezifische Zahlen, Systeme und/oder Konfigurationen dargelegt, um ein gründliches Verständnis des beanspruchten Gegenstandes zu liefern. Es sollte jedoch für einen Fachmann, der auf diese Offenbarung zurückgreifen kann, ersichtlich sein, dass der beanspruchte Gegenstand ohne die speziellen Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen wurden bekannte Merkmale weggelassen und/oder vereinfacht, um den beanspruchten Gegenstand nicht undeutlich zu machen. Obwohl bestimmte Merkmale hier veranschaulicht und/oder beschrieben wurden, werden für Fachleute viele Modifizierungen, Ersetzungen, Veränderungen und/oder Äquivalente zu erschließen sein. Es sei deshalb darauf hingewiesen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifizierungen und/oder Änderungen, die in die wahre Wesensart des beanspruchten Gegenstandes fallen, abdecken sollen.

Claims

Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: einen Leistungswandler (470, 320); wobei der Leistungswandler (470, 320) einen Ladungspumpenkondensator (160) umfasst, wobei der Ladungspumpenkondensator (160) in dem Wandler gekoppelt ist, um eine Primärwicklung (291) eines Trenntransformators (110) ohne eine Signalgleichrichtung zu treiben.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Ladungspumpenkondensator (160) gekoppelt ist, um die Primärwicklung (291) eines Trenntransformators (110) ohne eine Signalgleichrichtung zumindest zum Teil dadurch zu treiben, dass derselbe angepasst wird, um zwischen einem Lade- und einem Entladebetrieb an unterschiedlichen Abschnitten eines Stromzyklus umzuschalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Ladungspumpenkondensator (160) ferner angepasst ist, um zwischen einem Lade- und einem Entladebetrieb bei oder im Wesentlichen nahe einem Nullstrom umzuschalten.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Leistungswandler (470, 320) auf einer Hauptplatine eingebaut ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Leistungswandler (470, 320) mit einer Gleichstromleistung verbrauchenden Vorrichtung gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die Gleichstromleistung verbrauchende Vorrichtung zumindest eines von einem Fax, einem Drucker, einem Scanner und einem Kopierer aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Leistungswandler (470, 320) einen Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungswandler aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der der Leistungswandler (470, 320) ein pi-Eingangsfilter umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, bei der eine Sekundärwicklung (292) des Trenntransformators (110) in einer Schaltung gekoppelt ist, um eine Vollwellengleichrichtung durchzuführen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Primärwicklung (291) des Trenntransformators (110) gekoppelt ist, um während eines Betriebes in Resonanz zu sein.
Schaltung (170), die folgende Merkmale aufweist: einen Leistungswandler (470, 320); wobei der Leistungswandler (470, 320) zumindest zwei Transistortotempfahlkonfigurationen (120, 130) aufweist; wobei eine der Konfigurationen mit einer Wechselstromleitung (140) gekoppelt ist und eine andere der Konfigurationen mit einem Wechselstrom-Neutralleiter (150) gekoppelt ist; wobei eine Pumpenkapazitätsvorrichtung (160) zwischen die Konfigurationen gekoppelt ist, um eine Primärwicklung (291) eines Trenntransformators (110) zu treiben.
Schaltung gemäß Anspruch 11, bei der der Trenntransformator (110) in dem Leistungswandler (470, 320) gekoppelt ist, um einen reihengespeisten, resonanten Trenntransformator zu bilden.
Schaltung gemäß Anspruch 11 oder 12, bei der die Transistorkonfigurationen (120, 130) in dem Wandler (470, 320) gekoppelt sind, um eine Leistungsübertragung zu ergeben, die im Wesentlichen eine lineare Funktion einer Schaltfrequenz (f) ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die Transistorkonfigurationen (120, 130) in dem Wandler (470, 320) gekoppelt sind, um zumindest einige der Transistoren der Konfigurationen bei im Wesentlichen einem Nullstrom anzuschalten.
Schaltung gemäß Anspruch 14, bei der die Transistorkonfigurationen (120, 130) in dem Wandler (470, 320) gekoppelt sind, um wiederum zumindest einige der Transistoren der Konfigurationen bei im Wesentlichen einem Nullstrom abzuschalten.
Schaltung gemäß Anspruch 15, bei der die Transistorkonfigurationen (120, 130) in dem Wandler (470, 320) gekoppelt sind, um alle Transistoren der Konfigurationen bei im Wesentlichen einem Nullstrom an- und/oder abzuschalten.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, bei der zumindest einer der Transistoren einen MOSFET aufweist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, bei der die kapazitive Pumpenvorrichtung (160) einen Kondensator aufweist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, bei der der Leistungswandler (470, 320) in eine Hauptplatine eingebaut ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, bei der der Leistungswandler (470, 320) mit einer Gleichstromleistung verbrauchenden Vorrichtung gekoppelt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 20, bei der die Gleichstromleistung verbrauchende Vorrichtung zumindest eines von einem Fax, einem Drucker, einem Scanner und einem Kopierer aufweist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 21, bei der der Leistungswandler (470, 320) einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler aufweist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 22, bei der der Leistungswandler (470, 320) ein pi-Eingangsfilter umfasst.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 23, bei der eine Sekundärwicklung (292) des Leistungswandlers (470, 320) gekoppelt ist, um eine Vollwellengleichrichtung zu liefern.
Verfahren zum Wandeln von Leistung, das folgenden Schritt aufweist: Laden eines elektrischen Speicherelements während eines Abschnitts eines Zyklus, so dass ein Strom während eines anderen Abschnitts des Zyklus ohne eine Gleichrichtung durch das elektrische Speicherelement geliefert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 25, bei dem das elektrische Speicherelement während eines Resonanzbetriebs einer Primärschaltung eines Trenntransformators (110) geladen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, bei dem Laden und Entladen des elektrischen Speicherelements bei im Wesentlichen einem Nullstrom umschaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem Transistorkonfigurationen verwendet werden, um das Umschalten zu erreichen.
Verfahren gemäß Anspruch 28, bei dem die Transistorkonfigurationen MOSFETs umfassen, die in einer Totempfahlkonfiguration angeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 28 oder 29, bei dem die Leistung als im Wesentlichen eine lineare Funktion einer Schaltfrequenz (f) umgewandelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 30, bei dem das elektrische Speicherelement einen Ladungspumpenkondensator (160) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 31, bei dem eine Rückkopplung zur Synchronisation zwischen einem angelegten Eingangsspannungssignal und einem Ausgangsspannungssignal (V_OUT) verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 32, bei dem das Umwandeln der Leistung eine Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung aufweist.
System, das folgendes Merkmal aufweist: eine Gleichstromleistung verbrauchende Vorrichtung und einen Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungswandler (470, 320); wobei der Leistungswandler (470, 320) einen Ladungspumpenkondensator (160) umfasst, wobei der Ladungspumpenkondensator (160) in dem Wandler (470, 320) gekoppelt ist, um eine Primärwicklung (291) eines Trenntransformators (110) ohne eine Signalgleichrichtung zu treiben.
System gemäß Anspruch 34, bei dem der Ladungspumpenkondensator (160) gekoppelt ist, um die Primärwicklung (291) eines Trenntransformators (110) ohne eine Signalgleichrichtung zumindest zum Teil dadurch zu treiben, dass derselbe angepasst ist, um zwischen einem Lade- und einem Entladebetrieb an unterschiedlichen Abschnitten eines Stromzyklus umzuschalten.
System gemäß Anspruch 35, bei dem der Ladungspumpenkondensator (160) ferner angepasst ist, um zwischen einem Lade- und einem Entladebetrieb bei oder im Wesentlichen nahe einem Nullstrom umzuschalten.
System gemäß einem der Ansprüche 34 bis 36, bei dem der Leistungswandler (470, 320) auf einer Hauptplatine mit der Gleichstromleistung verbrauchenden Vorrichtung eingebaut ist.
System gemäß einem der Ansprüche 34 bis 37, bei dem die Gleichstromleistung verbrauchende Vorrichtung zumindest eines von einem Fax, einem Drucker, einem Scanner und einem Kopierer aufweist.
System gemäß einem der Ansprüche 34 bis 38, bei dem der Leistungswandler (470, 320) einen Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungswandler aufweist.
System gemäß Anspruch 39, bei dem der Leistungswandler (470, 320) ein pi-Eingangsfilter umfasst.
System gemäß Anspruch 39 oder 40, bei dem eine Sekundärwicklung (292) des Trenntransformators (110) in einer Schaltung gekoppelt ist, um eine Vollwellengleichrichtung durchzuführen.
System gemäß einem der Ansprüche 34 bis 41, bei dem die Primärwicklung (291) des Trenntransformators (110) gekoppelt ist, um während eines Betriebs in Resonanz zu sein.
Vorrichtung, die folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung (470, 320) zum Umwandeln von einer Wechselspannung zu einer Gleichspannung; wobei die Einrichtung (470, 320) zum Umwandeln eine Einrichtung (110) zur Trennung umfasst, wobei die Einrichtung (110) zur Trennung eine Primärwicklung (291) und eine Sekundärwicklung (292) umfasst; wobei die Einrichtung (470, 320) zum Umwandeln so gekoppelt ist, dass bei einem Betrieb auf der Primärseite der Einrichtung (110) zur Trennung keine Wechselspannung-Gleichspannung-Gleichrichtung auftritt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 43, bei der die Einrichtung (470, 320) zum Umwandeln gekoppelt ist, um die Primärwicklung (291) der Einrichtung (110) zur Trennung ohne eine Signalgleichrichtung zumindest zum Teil dadurch zu treiben, dass dieselbe angepasst ist, um zwischen einem Lade- und einem Entladebetrieb an unterschiedlichen Abschnitten eines Stromzyklus umzuschalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 44, bei der die Einrichtung (470, 320) zum Umwandeln einen Ladungspumpenkondensator (160) umfasst, wobei der Kondensator ferner angepasst ist, um zwischen einem Lade- und einem Entladebetrieb bei oder im Wesentlichen nahe einem Nullstrom umzuschalten.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 43 bis 45, bei der die Einrichtung (470, 320) zum Umwandeln auf einer Hauptplatine eingebaut ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 43 bis 46, bei der die Einrichtung (470, 320) zum Umwandeln mit einer Gleichstromleistung verbrauchenden Vorrichtung gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 47, bei der die Gleichstromleistung verbrauchende Vorrichtung zumindest eines von einem Fax, einem Drucker, einem Scanner und einem Kopierer aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 43 bis 48, bei der die Einrichtung (470, 320) zum Umwandeln einen Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungswandler aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 49, bei der der Leistungswandler (470, 320) ein pi-Eingangsfilter umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 49 oder 50, bei der die Sekundärwicklung (292) der Einrichtung (110) zur Trennung in einer Schaltung gekoppelt ist, um eine Vollwellengleichrichtung durchzuführen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 43 bis 51, bei der die Primärwicklung (291) der Einrichtung (110) zur Trennung gekoppelt ist, um während eines Betriebs in Resonanz zu sein.