Aus dem Buch"Halbleiter-Schaltungstechnik"von U. Tietze und Ch.

Schenck, Springer-Verlag, 9. Auflage 1989, Kapitel 18.6.1, Seite 563-566 ist ein Abwärts-Drosselwandler bekannt, der hinter dem einen Eingang einen steuerbaren Schalter in Reihe mit einer Drossel im Längszweig und einen Kondensator im Querzweig am Ausgang enthält, wobei im Querzweig vor der Drossel eine Freilaufdiode vorgesehen ist. Der Abwärts-Drosselwandler wird zum Umsetzen einer Eingangs-Gleichspannung in eine andere, niedrigere Ausgangs-Gleichspannung eingesetzt. Wegen des einfachen Aufbaus und des hohen Wirkungsgrads wird dieser Wandler bevorzugt in Kraftfahrzeugen verwendet. Ein Problem bei diesem bekannten

Abwärts-Drosselwandler besteht im sogenannten lückenden Betrieb, wenn der Ausgangsstrom kleiner als der halbe mittlere Laststrom ist.

Dieses Problem tritt insbesondere bei solchen Abwärts- Drosselwandlern auf, bei denen die Freilaufdiode im Querzweig durch einen steuerbaren Schalter zur Erhöhung des Wirkungsgrads und zur Bildung eines Synchrongleichrichters ersetzt ist. Beim Wandler mit Synchrongleichrichter treten zeitweilig Rückwärtsströme auf, die vom Ausgang in Richtung Eingang durch die Drossel fließen und auch den Ausgangskondensator entladen. Dies führt somit sowohl zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads als auch zu einer Erhöhung der Ausgangswelligkeit.

Eine solche Anordnung ist der Anmelderin als interner Stand der Technik bekannt, jedoch druckschriftlich nicht belegbar.

Zur Vermeidung der Rückwärtsstromes durch den Synchrongleichrichter, ist es möglich, dieses während des Rückwärtsstromes abzuschalten. Dazu ist es allerdings notwendig, die Stromrichtung zu erkennen. Eine Stromrichtungserkennung kann herkömmlich über eine Strommessung erfolgen, beispielsweise mittels eines Shunts oder eines Stromwandlers. Hierbei muss allerdings unter Umständen eine Reduzierung des Ausgangssignalbereichs in Kauf genommen werden, da der MeSverstärker den positiven und den negativen Strombereich anzeigt. Dieses ist besonders bei solchen Schaltungen von Nachteil, die mit einer unipolaren Spannungsversorgung, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, betrieben werden.

Es ist Ziel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Stromrichtungserkennung ohne die geschilderten Nachteile zuverlässig und mit geringem Aufwand durchzuführen, und Rückwärtsströme im Abwärts-Drosselwandler zu vermeiden.

Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemaß gestaltete Abwärts-Drosselwandler hat den Vorteil, mit einfachen Mitteln die Erkennung des Auftretens von Rückwärtsstrom zu gewährleisten und die Möglichkeit zu schaffen, das Fließen dieses Rückwärtsstromes zu vermeiden bzw. zu unterbinden.

Gemäß der Erfindung wird dies prinzipiell dadurch erreicht, daß anstelle der Freilaufdiode im Querzweig vor der Drossel zur Bildung eines Synchrongleichrichters"ein zweiter steuerbarer Schalter vorgesehen ist, beide gesteuerte Schalter aus MOSFET- Transistoren bestehen, eine Steuerung, insbesondere eine Puls- Weiten-Steuerung, für die MOSFET-Transistoren vorgesehen ist, die Spannung über dem MOSFET-Transistor im Querzweig daraufhin uberwacht wird, ob ein Rückwärtsstrom, d. h. ein Strom durch die Drossel in Richtung vom Ausgang zum Eingang des Drosselwandlers fließt, bzw. das Spannungspotential an der Mittelanzapfung der aus den beiden MOSFET-Transistoren gebildeten Halbbrucke detektiert wird, und bei Auftreten eines solchen Ruckwärtsstromes der MOSFET- Transistor im Querzweig gesperrt wird, um den Ruckwärtsstrom zu verhindern.

Durch die in den weiteren Anspruchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sowie Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Abwärts- Drosselwandlers möglich.

In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist zur Spannungsdetektion ein Vergleicher vorgesehen, der die Spannungspotentiale an den Drain-und Source-Anschlüssen des MOSFET-Transistors im Querzweig miteinander vergleicht und dann

ein steuerndes Ausgangssignal abgibt, wenn das Spannungspotential am Drain-Anschluß höher ist als am vorzugsweise auf Massepotential liegendem Source-Anschluß ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Freigabelogik für den Synchrongleichrichter vorgesehen, durch den das Ausgangssignal des Vergleichers mit dem für das Gate des im Querzweig liegenden MOSFET-Transistor bestimmten Ausgangssignal der Steuerung verknüpft wird. In einfacher Ausgestaltung ist die Freigabelogik eine Und-Schaltung, der das Gate-Ansteuersignal für das Gate des im Querzweig liegenden MOSFET-Transistors und das Ausgangssignal des Vergleichers als Eingangssignale zugeführt werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung, ist als Vergleicher ein Operationsverstarker oder Komparator vorgesehen, dem am invertierenden Eingang das Spannungspotential am Drain-Anschluß des im Querzweig liegenden MOSFET-Transistors und am nichtinvertierenden Eingang das Spannungspotential des auf Massepotential liegenden Source-Anschlusses des im Querzweig liegenden MOSFET-Transistors zugeführt wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung und Verbesserung dieses Ausführungsbeispieles der Erfindung wird Ausgangssignal des Vergleichers in einem Speicherelement gespeichert und auch für weitere Anwendungszwecke zur Verfügung gestellt ist, insbesondere einem Mikrokontroller. Damit können beispielsweise Diagnosezwecke erfüllt und Systemzustände ermittelt werden.

In weiterer Verbesserung dieses Ausführungsbeispieles ist in einem Querzweig vor dem im Längszweig liegenden steuerbaren MOSFET- Transistor ein Kondensator zwischen dem positiven Eingang und dem Massepotential vorgesehen. Mit diesem Eingangskondensator wird

eine Glättung der Eingangsgleichspannung und ein Schutz vor Überspannungen erreicht.

Der erfindungsgemäß gestaltete Drosselwandler wird besonders vorteilhaft in Parallelschaltung mehrerer Leistungsmodule verwendet. Entsprechend einer weiteren sehr vorteilhaften Verwendung wird er zur Bildung von verschachtelten Tiefsetzstellern (Interleaved Buck Converter), bei denen die einzelnen Leistungsmodule phasenversetzt angesteuert werden, verwendet.

Zeichnung Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 schematisch das Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Abwärts- Drosselwandlers mit Synchrongleichrichter und Rückwartsstromerkennung, Fig. 2 schematisch die zeitlichen Verläufe verschiedener Spannungen und Ströme im Abwärts-Drosselwandler gemme der Erfindung bei nicht lückendem Betrieb, und Fig. 3 schematisch die zeitlichen Verläufe verschiedener Spannungen und Ströme im Abwärts-Drosselwandler gemma$ der Erfindung bei lückendem Betrieb, Rückwärtsstromerkennung und Sperrung des Transistors im Querzweig.

Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel anhand des Prinzipschaltbilds dargestellt. Der erfindungsgemäB gestaltete Abwärts-Drosselwandler enthält einen steuerbaren Schalter T1 in Reihe mit einer Drossel L im Längszweig. Der Längszweig erstreckt sich zwischen einem ersten Eingang 10 und einem Ausgang 25.

Zwischen dem ersten Eingang 10 und einem zweiten Eingang 11 steht eine Eingangsgleichspannung UE an. Diese Eingangsgleichspannung UE kann z. B. die Batterie-Spannung eines Kraftfahrzeuges sein. Der zweite Eingang 11 ist z. B. auf Massepotential gelegt und bildet im dargestellten Ausführungsbeispiel auch den zweiten Ausgangspol.

Zwischen dem Ausgang 25 und dem Pol 11 steht über einen dazwischen in einem Querzweig am Ausgang 25 vorgesehenen Kondensator 12, auch als Ausgangskondensator bezeichnet, die Ausgangsgleichspannung UA an. Im Querzweig vor der Drossel L ist ein zweiter steuerbarer Schalter T2 vorgesehen. Weiterhin ist in einem Querzweig vor dem ersten steuerbaren Schalter T1 ein Kondensator 13, auch als Eingangskondensator bezeichnet, vorgesehen. Dieser erfüllt Glattungs-und Schutzfunktionen.

Die beiden gesteuerten Schalter T1 und T2 sind Transistoren und zwar insbesondere MOSFET-Transistoren. Die Durchlaß-Charakteristik von solchen MOSFET-Transistoren ist in beiden Stromflußrichtungen, Drain nach Source und Source nach Drain, im wesentlichen gleich.

Die Durchlaßeigenschaft in Richtung von der Source zur Drain ist durch die Diode dargestellt, die diese an sich parasitäte Eigenschaft darstellt.

Gemmai3 der Erfindung wird zur Vermeidung von Rückwärtsströmen, d. h. von Strömen die entgegengesetzt dem gemmai3 Pfeil IL eingezeichneten Last-oder Drosselstrom IL durch die Drossel L flieSen, das Spannungspotential U1 am Verbindungspunkt der aus den beiden

Transistoren T1 und T2 gebildeten Halbbrücke überwacht. Oder mit anderen Worten, es wird die Spannung UDS2 über der Drain-Source- Strecke des Transistors T2 detektiert.

Entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird zu dieser Spannungsdetektierung ein Vergleicher 14 eingesetzt, der insbesondere ein Operationsverstärker oder ein Komparator mit Hysterese verschaltet als Schmitt-Trigger, sein kann, das Spannungspotential U1 an der Mittelanzapfung der aus den beiden Transistoren T1 und T2 gebildeten Halbbrücke mit dem am gemeinsamen Ein-und Ausgangspol 11 anliegenden Spannungspotential, im dargestellten Ausführungsbeispiel dem Massepotential, vergleicht. Dazu ist die Mittelanzapfung mit der Spannung U1 über eine Leitung 15 mit dem invertierenden Eingang (-) des Vergleichers 14 und das Potential des gemeinsamen Pols 11 uber eine Leitung 16 mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Vergleichers verbunden. Am Ausgang 17 des Vergleichers steht das Signal UK an. Dieses Signal UK steht dann an, wenn das Spannungspotential am Drain-AnschluS D des als Synchrongleichrichter arbeitenden zweiten Transistor T2 höher ist als an dessen auf Massepotential liegendem Source-AnschluS S.

Der Ausgang 17 des Vergleichers 14 wird als Eingangssignal auf eine Freigabelogik 18 für den Synchrongleichrichter T2 gegeben.

Ein weiteres Eingangssignal dieser insbesondere aus einer logischen Und-Schaltung 18 bestehenden Freigabelogik, ist das Gatesteuersignal auf Leitung 19, das von einer Steuerung 20 erzeugt wird. Die Steuerung 20 erzeugt auch das Gatesteuersignal für den Transistor T1 im Längszweig, das dessen Gate G auf einer Leitung 21 zugeführt wird. Die Steuerung 20 ist insbesondere eine Puls-Weiten-Modulation oder Puls-Frequenz-Modulation und stellt dementsprechend die Ansteuersignale für das Ein-und Ausschalten der beiden MOSFET-Transistoren Tl und T2 zur Verfügung.

Das Ausgangssignal UK des Vergleichers 14 kann auf Leitung 17 auch einem Speicherelement 22, welches z. B. aus einem Latch oder einem Flip-Flop bestehen kann, zugeführt werden. Am Ausgang 23 steht somit dieses Signal UK für Diagnosezwecke und für Zwecke der Bestimmung von Systemzuständen zur Verfügung, welche insbesondere mit Hilfe eines Mikrokontrollers ermittelt werden können.

Anhand der Diagramme der Fig. 2 und 3 wird nachfolgend die Arbeits-und Wirkungsweise des erfindungsgemäß gestalteten Abwärts-Drosselwandlers näher erläutert. Fig. 2 zeigt schematisch die zeitlichen Verläufe verschiedener Spannungen und Ströme im Abwärts-Drosselwandler gemma$ der Erfindung bei nicht lückendem, normalen Betrieb und Fig. 3 zeigt schematisch die zeitlichen Verläufe derselben verschiedenen Spannungen und Ströme im Abwärts- Drosselwandler gemma$ der Erfindung bei lückendem Betrieb, sowie die erfindungsgemäße Rückwärtsstromerkennung und die Sperrung des Transistors T2 im Querzweig durch den zeitweise aktiven Vergleicher 14.

Im Diagramm A ist die Spannung UG1 am Gate G des ersten, im Längszweig liegenden Transistors T1 über der Zeit t dargestellt.

Im Diagramm B ist die Spannung UG2 am Gate G des zweiten, im Querzweig liegenden Transistors T2 über der Zeit t dargestellt. Im Diagramm C ist die Ausgangsspannung UK des Vergleichers 14 auf f Leitung 17 über der Zeit t dargestellt. Im Diagramm D ist die Spannung U1 an der Mittelanzapfung der von den beiden Transistoren T1 und T2 gebildeten Halbbrücke über der Zeit dargestellt. Dabei ist der Wert für U1 die Differenz der Eingangsspannung UE und der Drain-Source-Spannung UDS1 des ersten Transistors T1, U1=UE-UDSi Eingetragen in dieses Diagramm ist weiterhin der Wert der Drain- Source-Spannung UDS2 des zweiten Transistors T2. Im untersten bzw.

letzten Diagramm E ist der Last-oder Drosselstrom IL über der Zeit t dargestellt.

Im Diagramm E der Fig. 2 ist der in etwa dreieckförmige Verlauf des Last-oder Drosselstroms IL dargestellt. Dabei ist durch einen Doppelpfeil die Wertspanne des zwischen den Dreiecksspitzen auftretenden Spitzen-Spitzen-Stroms Iss und der sich ergebende mittlere Laststrom ILm gestrichelt eingetragen. Bei diesem dargestellten Fall von Normalbetrieb sinkt der Wert des Last-oder Drosselstromes IL nicht unter den Wert Null, es tritt also kein in entgegengesetzter Richtung flieSenser Strom auf.

Im Gegensatz dazu ist im Diagramm E der Fig. 3 der Fall dargestellt, bei dem zeitweise der Last-oder Drosselstrom IL im positiven Bereich aussetzt bzw. lückt. Dies ist dann der Fall, wenn der mittlere Last-oder Drosselstrom ILm kleiner als der halbe Wert des Spitzen-Spitzen-Stroms Iss wird. Dies ist gestrichelt eingetragen.

Im Diagramm E von Fig. 2 sind die Zeiten eingetragen, in denen der erste Transistor T1 leitend geschaltet ist, nämlich während tl, in der die Gatespannung UG1 hoch ist, und in denen der zweite Transistor T2 leitend geschaltet ist, nämlich t2, in der die Gatespannung UG2, hoch ist. Bei diesem Normalbetrieb ist die Ausgangsspannung UK des Vergleichers auch immer dann hoch, wenn entweder UG1 oder UG2 hoch ist. Die Spannung UDS2 über der Drain- Source-Strecke des zweiten Transistors T2 ist dabei jeweils negativ, wie in der Fig. 2 gezeigt. Diese Spannung UDS2 wechselt dann ihr Vorzeichen, wenn ein Rückwärtsstrom zu fließen beginnt, bzw. dann, wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, der Last-oder Drosselstrom IL vom Positiven her den Wert Null erreicht. Da= ändert sich auch der Wert der Spannung UK von hoch auf niedrig und während der in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 30 eingezeichneten

Zeit tK ist der Vergleicher 14 in der Weise aktiv, dan-aber die Und-Schaltung 18 das Gate-Ansteuersignal auf Leitung 19 blockiert wird, so da$ das Gate vom zweiten Transistor nicht mehr angesteuert und dieser somit gesperrt ist. Damit wird der Rückwärtsstrom über den Transistor T2 vermieden, ebenso wie die Nachteile, welche mit einem derartigen Rückwärtsstrom einhergehen.

Der erfindungsgemäß gestaltete Abwärts-Drosselwandler zeichnet sich bei sehr wirksamer Vermeidung von Rückwärtsströmen durch einen einfachen Schaltungsaufbau aus. Er ist leicht duplizierbar, weist einen geringen Platzbedarf auf und ist gut zu integrieren.

Insbesondere dann, wenn zur Steigerung der Ausgangsleistung mehrere Leistungsmodule in Parallelschaltung Verwendung finden, oder beim Einsatz von verschachtelten Tiefsetzstellern (Interleaved Buck Converter), bei denen die einzelnen Leistungsmodule phasenversetzt angesteuert werden, ist die erfindungsgemäße Feststellung und Vermeidung von Rückwärtsströmen von besonderem Vorteil.