Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer ein Schaltelement umfassenden Schalteranordnung, auf eine Ansteuereinrichtung und auf Verfahren zum Schalten eines Schaltelements. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen erweiterten Zero Overvoltage Switching-Schaltbereich (überspannungsfreies Schal- ten).

In der Leistungselektronik gibt es unzählige Topologien und Schaltungen, welche einen Strompfad mithilfe eines Transistors oder Halbleiterschalters ein- und abschalten. Der zu schaltende Strompfad besteht aus einem elektrischen Leiter und einer Leiterschleife, wel- che aufgrund von Naturgesetzen auch immer eine parasitäre Induktivität bildet. Diese In- duktivität, typischerweise im Bereich von 1 nH bis 100 nH, verhindert, dass der Schaltvor- gang beliebig schnell ablaufen kann. Mit zunehmend schnelleren Schaltvorgängen im Be- reich von 1 ns bis 1000 ns (je nach Leistungsklasse) entstehen insbesondere beim Ab- schalten hohe Abschaltüberspannungen am Schaltelement.

In EP 3 512 085 A1 ist ein Konzept zum Schalten eines Halbleiterschalters mit geringen Überspannungen beschrieben.

Ausgehend hiervon wäre es wünschenswert, auch zu anderen, zusätzlichen Bedingungen ein verlustfreies oder verlustarmes Schalten zu ermöglichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Konzept zu schaffen, das es ermöglicht, ausgehend vom Stand der Technik bei weiteren, zusätzlichen Bedingungen das Schaltelement verlustarm abzuschalten.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass ein günstiger Abschaltstrom, der ein verlustarmes Abschalten ermöglicht, abhängig von einer Zwischenkreisspannung und wirksamen Kapazitäten und Induktivitäten des Kommutie- rungsschwingkreises bestimmt werden kann und hierzu mehrere gültige Werte vorliegen, die es weiterhin ermöglichen, durch entsprechende Wahl des zutreffenden Werts einer Leistung beispielsweise eines Gleichspannungswandlers einzustellen oder, andersherum, abhängig von einer geforderten Leistung eines Gleichspannungswandlers oder dergleichen einen entsprechenden Abschaltstrom zu ermiteln.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung eine Schalteranordnung mit einem Schaltelement, das zum Abschalten eines elektrischen Strompfads eines Kommu- tierungskreises eingerichtet ist, wobei der Kommutierungskreis ein Freilaufelement mit ei- ner parallel-wirksamen Kapazität aufweist. Die Vorrichtung umfasst eine Ansteuereinrich- tung, die konfiguriert ist, um das Schaltelement für das Abschalten und zum Ausführen ei- nes Schaltvorgangs zu steuern. Die Ansteuereinrichtung ist ausgebildet, um für den Schalt- vorgang das Schaltelement mit einer Kanalabschaltzeitdauer zu schalten, die kürzer ist als eine Periodendauer einer Resonanzschwingung des Kommutierungskreises, um eine Schwingung in dem Kommutierungskreis anzuregen. Die Ansteuereinrichtung ist für einen Betriebszustand konfiguriert, in welchem der Schaltvorgang basierend auf einem abzu- schaltenden Abschaltstrom ausgeführt wird, wenn innerhalb eines Toleranzbereichs erfüllt ist, dass wobei I _T0,n der abzuschaltende Abschaltstrom durch das Schaltelement, V _DC eine Zwischen- kreisspannung des Kommutierungskreises, C _eff1 eine dem Schaltelement zugeordnete wirk- same, d. h. verschaltete und/oder parasitäre Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C _eff2 eine dem Freilaufelement zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungs- schwingkreises, L _p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkrei- ses und n eine natürliche Zahl beschreibt; wobei zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist:

1) n = 2i + 1, i ∈ N;

2) c _eff1 ≠ C _eff2 für n = 2i + 1, i ∈ N ₀ Mit dem Parameter n können Eigenschaften einer entsprechenden Schaltung, beispiels- weise durch die unterschiedliche Größe des Abschaltstromes eine Leistung, eingestellt wer- den oder, andersherum, basierend auf einer Anforderung an die Vorrichtung kann durch entsprechende Wahl des Parameters eine Anpassung des Abschaltstroms erfolgen. Die Berücksichtigung unterschiedlicherwirksamer Kapazitäten ermöglicht es alternativ oder zu- sätzlich, eine präzise Anpassung an die tatsächlich vorliegende Schaltung vorzunehmen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Ansteuereinrichtung ausgebildet, um ein Schaltelement zum Ausfuhren eines Abschaltvorgangs zu schalten. Hierzu ist die Ansteu- ereinrichtung ausgebildet, um basierend auf einer Eigenschaft des Schaltelements zu er- mitteln, dass ein Abschaltstrom, der durch das Schaltelement fließt, innerhalb eines Tole- ranzbereichs die Bedingung erfüllt, dass wobei I _T0,n der Abschaltstrom, V _DC eine Zwischenkreisspannung eines Kommutierungskrei- ses, der den Halbleiteschalter umfasst, C _eff1 eine dem Schaltelement zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C _eff2 eine einem mit dem Schatelement in dem Kommutierungskreis verschalteten Freilaufelement zugeordnete wirksame Kapazität, L _p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine na- türliche Zahl beschreibt; und zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist:

1) n = 2i + 1, i ∈ N;

2) c _eff1 ≠ C _eff2 für n = 2i + 1, i ∈ N ₀ und um das Schaltelement basierend auf dem Ergebnis zu schalten. um ein Ergebnis zu erhalten, und um das Schaltelement basierend auf dem Ergebnis zu steuern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung mit einer Schalteranordnung mit einem Schaltelement, das zum Abschalten eines elektri- schen Strompfads des Kommutierungskreises eingerichtet ist, wobei der Kommutierungs- kreis ein Freilaufelement mit einer parallel-wirksamen Kapazität aufweist, folgende Schrite: Steuern des Schaltelements für das Abschalten und zum Ausführen eines Schaltvorgangs. Hierbei wird, für den Schaltvorgang, das Schaltelement mit einer Kanalabschaltzeitdauer geschaltet, die kürzer ist als eine Periodendauer einer Resonanzschwingung des Kommu- tierungskreises, um eine Schwingung in dem Kommutierungskreis anzuregen, und der Schaltvorgang wird basierend auf dem abzuschaltenden Abschaltstrom ausgeführt, wenn innerhalb einer Toleranzbereichs erfüllt ist, dass wobei I _T0,n der abzuschaltende Abschaltstrom durch das Schaltelement, V _DC eine Zwischen- kreisspannung des Kommutierungskreises, c _eff1 eine dem Schaltelement zugeordnete wirk- same Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C _eff2 eine dem Freilaufelement zuge- ordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, L _p eine wirksame elektri- sche Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und so dass zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist:

1) n = 2i + 1, i ∈ N;

2) c _eff1 ≠ C _eff2 für n = 2i + 1, i ∈ N ₀

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Schaltele- ments zum Ausführen eines Abschaltvorgangs ein Ermitteln, basierend auf einer Eigen- schaft des Schaltelements und zum Erhalt eines Ergebnisses, dass ein Abschaltstrom, der durch das Schaltelement fließt, innerhalb eines Toleranzbereichs die Bedingung erfüllt, dass wobei I _T0,n der Abschaltstrom, V _DC eine Zwischenkreisspannung eines Kommutierungskrei- ses, der den Halbleiteschalter umfasst, Cem eine dem Schaltelement zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C _eff2 eine einem mit dem Schaltelement in dem Kommutierungskreis verschalteten Freilaufelement zugeordnete wirksame Kapazität, L _p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine na- türliche Zahl beschreibt; und zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist:

1) n = 2i + 1, i ∈ N;

2) c _eff1 ≠ C _eff2 für n = 2i + 1, i ∈ N ₀ ,

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezug- nahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel;

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild der Topologie der Vorrichtung aus Fig. 1 unter Hervorhebung der aktiven Teilnehmer eines Resonanzkreises;

Fig. 3 schematische Diagramme zur Erörterung gegenüber bekannten Maßnahmen zusätzlicher Schaltströme in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4a-c exemplarische Darstellungen von Spannungen über einen beispielhaft ausge- stalteten Halbleiterschalter der Vorrichtung aus Fig. 1 in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; Fig. 5 eine schematische Darstellung zweier Kurven von Parametern einer Vorrich- tung aus in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Er- findung; und

Fig. 6a-b beispielhafte zeitliche Zusammenhänge unterschiedliche Parameter hierin be- schriebener Ausführungsbeispiele.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktions- gleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedli- chen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedli- chen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.

Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer De- taildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausfüh- rungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit ge- genteilig beschrieben ist.

Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf das Schalten, insbesondere das Ab- schalten, eines Schaltelementes. Einige der Ausführungsbeispiele nehmen dabei insbeson- dere Bezug auf den Einsatz eines Halbleiterschalters als Schaltelement, wobei die Ausfüh- rungsbeispiele nicht hierauf beschränkt sind. Alternativ oder zusätzlich zu einem Halbleiter- schalter können auch andere Schaltelemente angeordnet werden, die zum Wechsel zwi- schen einem leitenden und einem sperrenden Zustand konfiguriert sind, etwa Relais oder MEMS-Relais, Transistoren, etwa auf Kohlenstoffnanoröhrchen, (Carbon-Nano-Tubes; CNT)-Werkstoffen und/oder Diamant-Werkstoffen basierend ausgeführt. Transistoren kön- nen auch als MOSFET-Transistoren oder Bipolartransistoren und/oder in einer anderen Fertigungstechnologie als MOS gefertigt werden.

Ein mögliches Anwendungsgebiet eines derartigen Schaltelemente ist ein Gleichspan- nungswandler, wobei Strompfade unter Verwendung von Schaltelementen auch in anderen Umgebungen abgeschaltet werden, etwa zum Betrieb oder Deaktivieren von Lasten. Gleichspannungswandler können konfiguriert sein, um Gleichspannung mit einem ersten elektrischen Spannungslevel oder Potenzial auf ein zweites elektrisches Spannungslevel oder Potenzial umzusetzen, wobei das zweite Level größer oder kleiner sein kann als das erste Level. Gleichspannungswandler können einen Halbleiterschalter aufweisen, der von einer Ansteuereinrichtung geschaltet wird.

Nachfolgende Ausführungsbespiele beziehen sich auf Schaltvorgänge in Halbleiterschal- tern. Diese sind im Rahmen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Kommutie- rungsvorgängen in Kommutierungskreisen verknüpft, beispielsweise im Zusammenhang mit Gleichspannungswandlern. Das bedeutet, der Kommutierungsvorgang kann durch den Schaltvorgang ausgelöst werden. Insofern kann im Rahmen mancher der hierin beschrie- benen Ausführungsbeispiele synonym davon gesprochen werden, dass ein Schaltvorgang einen Erregerschwingkreis des Kommutierungskreises anregt und dass ein durch den Schaltvorgang angestoßener Kommutierungsvorgang den Erregerschwingkreis des Kom- mutierungskreises anregt.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eine Vorrichtung 10 gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Schalteranordnung 12 mit zumindest einem Halbleiterschalter 12 ₁ . Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Halbbrückentopologie eines Gleich- spannungswandlers, in der lediglich zu Illustrationszwecken zwei Halbleiterschalter 12 ₁ und 12 ₂ angeordnet sind. Diese sind beispielhaft als MOSFET-Transistoren gebildet und weisen möglicherweise intrinsische Body-Dioden 14i bzw. 14 ₂ auf, die als D ₁ und D ₂ bezeichnet sind. Es wird aber darauf hingewiesen, dass alternativ zu einer Body-Diode sowohl bei MOSFET-Transistoren als auch bei anderen Implementierungen ein diskretes Freilaufele- ment verschaltet oder gekoppelt werden kann. Ferner zeigt die Fig. 1 für die Halbleiter- schalter 12 ₁ und 12 ₂ wirksame Kapazitäten C _eff1 bzw. C _eff2 , die beispielsweise parasitäre Kapazitäten der Transistoren 12 ₁ und 12 ₂ umfassen können, aber nicht hierauf limitiert sind. So können beispielsweise auch noch zusätzliche Kapazitäten angeordnet werden, etwa durch Bereitstellung diskreter Bauelemente, um die wirksame Kapazität anzupassen.

Obwohl die Fig. 1 eine Halbbrückentopologie mit zwei Halbleiterschaltern 12 ₁ und 12 ₂ zeigt, können andere Topologien weniger als zwei Halbleiterschalter, also einen Halbleiterschal- ter, aufweisen oder mehr als zwei Halbleiterschalter umfassen, beispielsweise drei, vier oder mehr. Die Topologie kann dabei prinzipiell beliebig von einer Halbbrückentopologie abweichen. Der Halbleiterschalter 12 ₁ ist dabei zum Abschalten eines elektrischen Strompfads eines Kommutierungskreises eingerichtet. Der Kommutierungskreis umfasst ein Freilaufelement, etwa die Diode 14 ₂ und eine zu dem Freilaufelement parallel-wirksamen Kapazität C _eff2 bzw. 16 ₂ . Das Freilaufelement kann dem Halbleiterschalter 12 ₂ zu geordnet sein oder ein diskre- tes Bauelement sein. Zu einem andern Zustand der Schaltung der Fig. 1 können die Rollen der Halbleiterschalter 12 ₁ und 12 ₂ vertauscht sein und bspw. der Halbleiterschalter 12 ₂ ge- schaltet werden, was zu einer korrespondierenden komplementären Änderung des oben beschriebenen mathematischen Zusammenhangs führt.

Eine Ansteuereinrichtung 18 der Vorrichtung 10 ist konfiguriert, um den Halbleiterschalter 12 ₁ und/oder den Halbleiterschalter 12 ₂ zu steuern. Hierzu kann die Ansteuereinrichtung 18 Steuersignale 22i bzw. 22 ₂ bereitstellen, die unmittelbar oder mittelbar, etwa unter Zwi- schenschaltung eines Treibers oder eines Verstärkers, mit Steuereingängen 24 ₁ bzw. 24 ₂ gekoppelt sind, die ausgebildet sind, um ein entsprechendes Eingangssignal 22' ₁ bzw. 22‘ ₂ zu empfangen, welcher auf den Ansteuersignalen 22 ₁ bzw. 22 ₂ basieren können oder die- sen entsprechen.

Wie es nachfolgend noch detailliert ausgeführt wird, ist die Ansteuereinrichtung 18 ausge- bildet, um für den Schaltvorgang den Halbleiterschalter 12 ₁ mit einer Kanalabschaltzeit- dauer zu schalten, die kürzer ist als eine Periodendauer einer Resonanzschwingung des Kommutierungskreises. Dies ermöglicht es, eine Schwingung in dem Kommutierungskreis anzuregen. Die Ansteuereinrichtung 18 ist dabei für einen Betriebszustand konfiguriert, in welchem der Schaltvorgang des Schalters 12 ₁ basierend auf einem abzuschaltenden Ab- schaltstrom ausgeführt wird. Für den Abschaltstrom ist innerhalb eines Toleranzbereichs erfüllt, dass

Dabei beschreibt I _T0,n den abzuschaltenden Abschaltstrom durch den Halbleiterschalter 12 ₁ , V _DC die Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises, Cem eine dem Halbleiter- schalter 12 ₁ zugeordnete wirksame, das heißt, verschaltete und/oder parasitäre Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C _eff2 eine dem Freilaufelement zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises und L _p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises, n beschreibt eine natürliche Zahl. Dabei ist zumindest eine der Bedingungen erfüllt, dass n = 2i + 1, i ∈ N. Alternativ oder zusätzlich ist erfüllt, dass c _eff1 ≠ C _eff2 für n = 2i + 1, i ∈ N ₀ . Anders ausgedrückt, ist der Parameter n eine natürliche ungerade Zahl > 1 und/oder die beiden Kapazitäten unterscheiden sich.

Jede der beiden Bedingungen a) n > 1 einerseits und b) c _eff1 ≠ C _eff2 andererseits kann dabei unabhängig voneinander implementiert werden und ermöglicht entsprechende Vorteile.

Für steigende Werte des Parameters n kann daraus erhalten werden, dass der Abschalt- strom bei der mit steigenden Werten für n assoziierten zunehmenden Kommutierungszeit- dauerntzos.n abnimmt. Dies kann bei der Verwendung in einem Gleichspannungswandler beispielsweise in abnehmender abgegebener Leistung resultieren.

Weiterhin zeigt die Fig. 1 eine möglicherweise in der Praxis vorkommende Schaltanordnung mit einer Zwischenkreiskapazität C _DC sowie einer Phaseninduktivität L _Ph . Eine Schaltzelle umfasst bspw. das Schaltelement 12 ₁ und 12 ₂ und das jeweilige Freilaufelement 14i bzw. 14 ₂ sowie eine wirksame Kommutierungsinduktivität Lp, die jeweils parasitäre und/oder dis- krete Induktivitäten umfassen kann. Ferner kann die Schaltzelle eine zu den Schaltelemen- ten 12 ₁ , 12 ₂ und Freilaufelementen 14i 14z wirksame Parallelkapazitäten c _eff1 (16 ₁ ) und C _eff2 (16 ₂ ) umfassen. Die Spannung v _mp bezeichnet die über dem geschalteten Schaltelement 12 ₁ abfallende Spannung. Die in Fig. 1 dargestellten Spannungen v _mp und v _T2 beziehen sich auf die über den Schaltelementen 12 ₁ bzw. 12 ₂ abfallende Spannungen, von denen v _mp im Zusammenhang mit der Fig. 7b noch näher erörtert wird.

Die Spannungen V _DC und V _Ls führen in Verbindung mit der Schalteransteuerung zu einem sich ändernden Stromfluss in der Phaseninduktivität L _Ph . Im Abschaltvorgang wird von dem jeweiligen Schaltelement, hier der Halbleiterschalter 12 ₁ , somit gefordert, einen Strom I _T0,n (Turn-Off), den Abschaltstrom, abschalten, der dem momentanen Stromfluss durch L _ph ent- spricht. Durch das Abschalten ändert sich der Strompfad vom Schaltelement hin zum Frei- laufelement. Diese Änderung kann als Kommutierungsvorgang bezeichnet werden. Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele beschreiben ein vorteilhaftes Verfahren sowie entspre- chende Vorrichtungen zur Umsetzung dieser Kommutierung.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Topologie der Vorrichtung 10 unter Her- vorhebung der aktiven Teilnehmer des Resonanzkreises. Die Fig. 2 ist beispielsweise gültig für einen Zustand nach dem Abschalten des Kanals des Transistors T1 , aber während der Kommutierungsdauer tzos.n. Die Phaseninduktivität L _Ph kann hierzu durch eine Stromquelle 26 ersetzt werden. Der Resonanzkreis bzw. Kommutierungskreis bezieht dabei die parasi- täre Induktivität L _p , das Freilaufelement 14 ₂ sowie die Kapazitäten 16i und 16 ₂ bzw. c _eff1 und C _eff2 mit ein.

In anderen Worten wird der Resonanzkreis, der die parasitären Elemente umfasst, durch einen bestimmten Abschaltstrom angeregt, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Beispielhaft wird anhand der Fig. 1 und 2 eine Halbbrückentopologie herangezogen, das beschriebene ZOS (Zero Overvoltage Switching, überspannungsfreies oder -vermeidendes Schalten) gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen ist jedoch für eine Viel- zahl an hartschaltenden Topologien einsetzbar.

Der Resonanzkreis umfasst beispielsweise die parasitären Kapazitäten c _eff1 und C _eff2 der beiden Leistungshalbleiter T ₁ und T ₂ sowie die parasitäre Induktivität L _p . Während in EP 3 512 085 A1 der Resonanzkreis so angeregt wird, dass nach einer halben Periode der Resonanzfrequenz die Kommutierung abgeschlossen ist, erlauben hierin beschriebene Ausführungsbeispiele hiervon verschiedene Einstellung des Abschaltvorgangs.

Das bekannte Konzept erreicht einen Abschaltstrom für n=1. In der folgenden Formel ist der Zusammenhang zwischen der Periodendauer des resonanten Schwingkreises und der Zeit, in der die Kommutierung abgeschlossen werden kann, dargestellt: wobei Les die Periodendauer der Resonanzschwingung und tzos.n die Kommutierungsdauer bzw. die Zeit, in der die Kommutierung abgeschlossen werden kann, beschreibt.

Wird allerdings ausgehend von dem bekannten Konzept der Resonanzkreis mit geringem Strom angeregt, das bedeutet, ein geringerer Abschaltstrom liegt während des Schaltens vor, ist es möglich, dass sich die Kommutierungszeitdauer verlängert.

Durch das erfindungsgemäße Konzept ist es möglich, den benötigten Abschaltstrom vergli- chen mit bekannten Konzepten für weitere Abschaltströme zu berechnen. Im Unterschied zu dem bekannten Konzept werden hierbei nicht nur identische Werte der wirksamen Ka- pazitäten berücksichtigt, sondern auch Ausführungsformen, bei denen sich diese Werte un- terscheiden. In Fig. 2 ist ein zur Fig. 1 zumindest in Teilen äquivalenter Schaltkreis gezeigt, der eine minimale Anzahl an benötigten Bauelementen umfasst. Der Abschaltstrom I _T0,n wird durch eine ideale Stromquelle 26 modelliert. Die Diode D ₂ , 14 ₂ beendet die Kommutie- rung.

Zurückkommend auf die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 10 kann die Ansteuereinrich- tung 18 ausgebildet sein, um den Abschaltstrom durch das Schaltelement, also den Strom I _T0,n einzustellen oder zu steuern. Die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um den Abschaltstrom basierend auf zumindest einem aus dem Lesen eines Datenbankein- trags, einer Berechnung, einer Analogschaltung oder einer Annäherung zu bestimmen. Eine Analogschaltung kann beispielsweise einen oder mehrere Transistoren, Operations- verstärker und/oder andere Bauelemente umfassen, die in der Lage sind, die oben bezeich- nete Abhängigkeit für den Abschaltstrom abzubilden. Das bedeutet, die Ansteuereinrich- tung kann mitelbar oder unmitelbar Kenntnis über den vorliegenden Abschaltstrom erlan- gen, um zu bestimmen, wann der für den Abschaltvorgang korrekte oder zumindest ange- näherte Strom vorliegt.

Die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um den Abschaltstrom vermittels einer Wahl eines dem Abschaltstrom I _T0,n zugeordneten Schaltzeitpunktes einzustellen, insbe- sondere eines Schaltzeitpunktes innerhalb einer Taktperiode.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ansteuereinrichtung 18 ausgebildet sein, um den Abschaltstrom durch den Halbleiterschalter 12 ₁ basierend auf einem Referenzstrom einzustellen. Dies kann beispielsweise durch eine sogenannte Peak-Current-Mode-Rege- lung erfolgen, woran die Ansteuereinrichtung 18 erkennen kann, dass ein korrekter Wert des Abschaltstroms vorliegt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ansteuereinrichtung 18 ausgebildet sein, um den Schaltvorgang auf ein Auftreten einer schaltungsinduzierten Überspannung an den Halbleiterschalter auszuwerten, um ein Auswerteergebnis zu erhalten. Das Auswerteergeb- nis kann eine Abweichung des Schaltparameters von einem Parameterzielwert angeben und die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um für einen zukünftigen Schaltvor- gang den Abschaltstrom durch den Halbleiterschalter anzupassen, um die schaltungsindu- zierte Überspannung zu verringern. Das bedeutet, die Ansteuereinrichtung 18 kann eine Überwachung der beabsichtigten Schaltergebnisse und/oder Überspannungen ausführen. Die Ansteuereinrichtung 18 kann den Abschaltstrom dann anpassen, um Regelungsfehler zu kompensieren, die beispielsweise durch Abweichungen auftreten können, etwa wenn abgelesene Datenbankeinträge oder andere Schätzwerte oder Referenzwerte aufgrund re- aler Bedingungen nicht erfüllt werden. Dies ermöglicht eine Vermeidung von nachteiligen Effekten in der Schaltung.

Eine Möglichkeit, die Ansteuereinrichtung in die Lage zu versetzen, einen Betrieb anzupas- sen, kann alternativ oder dadurch erhalten werden, dass die Ansteuereinrichtung ausgebil- det ist um den Halbleiterschalter 12 ₁ basierend auf einem Referenzstromwert zu steuern, das bedeutet, wenn der Referenzstromwert erreicht ist, wird der Schaltvorgang ausgelöst. Alternativ oder zusätzlich kann eine Einstellung einer Pulsweite ausgeführt werden, wobei die Pulsweite mit einem zugehörigen Abschaltstrom assoziiert sein kann, etwa, dass eine größere Pulsweite mit einem höheren Strom assoziiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuereinrichtung basierend auf einer Zeitpunktvorgabe für einen Schaltzeitpunkt den Halbleiterschalter schalten.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Ansteuereinrichtung kann ausge- hend von der Kenntnis, dass zusätzliche überspannungsarme Zustände in der Schaltung vorliegen, zu denen die Abschaltvorgänge ausgelöst werden können, erreicht werden. So kann von einer entsprechend ausgerichteten Schaltung, etwa einem Gleichspannungs- wandler oder einer anderen Form von Wandler, eine aus einer Mehrzahl von vordefinierten Ausgangsleistungen abrufbar sein. Durch Wahl des Abschaltstroms kann die geforderte Ausgangsleistung abgerufen werden und beispielsweise kann zu mehreren oder gar allen der einstellbaren geforderten Leistungen ein jeweils guter, idealer oder gar optimaler Ab- schaltstrom ermittelt werden oder in einem für die Ansteuereinrichtung 18 zugänglichen Datenspeicher hinterlegt. Das bedeutet, ein entsprechender Abschaltstrom kann durch die Ansteuereinrichtung ermitelt werden oder kann der Ansteuereinrichtung mitgeteilt werden oder eine Kombination hieraus.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines derartigen Konzepts ist es ebenfalls möglich, dass die geforderte mittlere Ausgangsleistung oder die mittlere Ziel-Ausgangsleis- tung von den vordefinierten Referenzwerten abweicht. In einem derartigen Fall, in dem sich die geforderte Ziel-Ausgangsleitung beispielsweise zwischen zwei vordefinierten Aus- gangsleistungen bewegt, kann die Ansteuereinrichtung ausgebildet sein, um einen Betrieb der Vorrichtung basierend auf einer Kombination unterschiedlicher vordefinierter Werte des Abschaltstroms zu steuern, um die Ziel-Ausgangsleistung zumindest anzunähern. Eine Kombination kann beispielsweise ein zeitlicher Wechsel zwischen unterschiedlichen Be- triebsmodi, das heißt, Abschaltströmen, sein und/oder kann sich auf die Bestimmung eines Mischwerts beziehen. Das bedeutet, für den Fall, dass die Vorrichtung in die Situation ver- setzt wird, dass eine Leistung von der Vorrichtung gefordert wird, zu der die Ansteuerein- richtung keinen erfindungsgemäßen Abschaltstrom kennt, kann sie den anzuwendenden Abschaltstrom aus Werten des Abschaltstroms anderer Leistungen herleiten, etwa durch zeitlichen Wechsel oder durch Kombination. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuer- einrichtung aber auch ausgebildet sein, um den jeweiligen optimalen Abschaltstrom zu be- rechnen oder bestimmen und entsprechend einzustellen.

Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung unter Anwendung eines vordefinierten Ab- schaltstroms durch die Ansteuereinrichtung gesteuert werden, wobei die Ansteuereinrich- tung ausgebildet sein kann, um denjenigen vordefinierten Abschaltstrom für von vordefi- nierten mittleren Ziel-Ausgangsleistungen abweichenden Ausgangsleistungen zu wählen, der eine geringste Abweichung zwischen der erhaltenen vordefinierten Ausgangsleistung und der mittleren geforderten Ziel-Ausgangsleistung aufweist. Damit können zumindest die durch mögliche Überspannungen erhaltenen negativen Effekte limitiert werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ansteuereinrichtung ausgebildet, um die von den unterschiedlichen vordefinierten Ausgangsleistungen abweichende mittlere Ziel-Ausgangs- leistung basierend auf einem zeitlichen Wechsel zwischen unterschiedlichen vordefinierten Werten des Abschaltstroms, beispielsweise Abschaltströmen, die jeweils mit vordefinierten Ausgangsleistungen assoziiert sind, basierend auf einem Valley-Skipping und/oder basie- rend auf einem Burst-Mode bereitzustellen. Der Burst-Mode kann vorteilhaft sein, wenn ein niedriger oder sehr niedriger Lastbereich vorliegt, da er die Möglichkeit eröffnet, nur spora- disch überhaupt Last zu übertragen. Dadurch kann bei einem Wandler beispielsweise ein Betrieb hinab bis zu 0 % der Last ermöglicht werden. Das Valley-Skipping (Talhüpfen) kann beispielsweise dergestalt ausgeführt werden, dass der Wandler die Leistung variiert, indem der Einschaltzeitpunkt verschoben wird und dadurch Zeiträume ohne effektive Leistungs- übertragung entstehen. Dies ermöglicht eine Leistungsregelung um einen Faktor von bei- spielsweise ca. 2.

Ist die Ansteuereinrichtung beispielsweise ausgebildet, um zum Bereitstellen der von den unterschiedlichen vordefinierten mittleren Ausgangsleistungen abweichende mitlere Ziel- Ausgangsleistung bereitzustellen, so kann die Vorrichtung in einem Misch-Betriebszustand gesteuert werden, um zumindest zwischen einem ersten vordefinierten Wert des Abschalt- stroms und einem zweiten vordefinierten Wert des Abschaltstroms dynamisch zu wechseln, etwa hin- und herzuspringen. Dadurch kann erreicht werden, dass im zeitlichen Mittel die mittlere Ziel-Ausgangsleistung aus den unterschiedlichen Werten des durch die vordefinier- ten Werte der Abschaltströme erhaltenen Einzel-Ausgangsleistungen im zeitlichen Mittel erhalten werden. Die Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um eine mit einem vorde- finierten Wert des Abschaltstroms einer vordefinierten mitleren Ausgangsleistung assozi- ierte Taktperiode des Abschaltvorgangs anzupassen, um einen gegenüber dem vordefi- nierten Wert des Abschaltstroms abweichenden Abschaltstrom zu erhalten und/oder um einen Zielwert für den Abschaltstrom gegenüber einem vordefinierten Wert des Abschalt- stroms zu verändern, um unter Inkaufnahme zunehmender Überspannungen einen mittle- ren Ausgangsstrom für die Ausgangsleistung zu ändern. Jeder dieser Schritte, der dynami- sche Wechsel, das Anpassen der Taktperiode und/oder das Anpassen eines Zielwerts für den Abschaltstrom kann eine Anpassung des Betriebszustands ermöglichen und/oder ge- genüber vordefinierten Betriebszuständen zusätzliche Betriebszustände ermöglichen.

Die Ansteuereinrichtung kann zum Einstellen des vorteilhaften Abschaltstroms ausgebildet sein, um eine Zwischenkreisspannungsinformation zu erhalten, wobei dies beispielsweise durch Vorab-Kenntnisse durch Messungen und/oder andere Informationsdarlegung erfol- gen kann. Die Zwischenkreisspannungsinformation kann eine Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises, die Spannung V _DC , angeben, etwa codiert oder als unmittelbaren Wert. Die Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um den Abschaltstrom basierend auf der Zwischenkreisspannungsinformation zu bestimmen. Die Zwischenkreisspannung kann beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Betriebszustände der Vorrichtung und/oder der Schalteranordnung veränderlich oder eingestellt werden und zu Veränderungen in dem Ab- schaltstrom führen, der durch die Ansteuereinrichtung berücksichtigt wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ansteuereinrichtung mit einem Datenspeicher gekoppelt sein, in dem für eine Mehrzahl von Zwischenkreisspannungsinformationen zu- mindest eine zugeordnete Abschaltstrominformation hinterlegt ist. Die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um die der Zwischenkreisspannungsinformation zugeordnete Ab- schaltstrominformation zu lesen und den Abschaltstrom für den Schaltvorgang basierend auf der Abschaltstrominformation einzustellen. Das bedeutet, die Ansteuereinrichtung kann aus dem Datenspeicher Informationen auslesen, die eine Höhe des einzustellenden Ab- schaltstroms angeben. Für einen spezifischen Wert oder Wertebereich der Zwischenkreis- spannungsinformation kann zumindest ein Wert für die Abschaltstrominformation vorliegen, wobei sich diese Information beispielsweise auf den Strom selbst, einen Zeitpunkt oder andere assoziierte Informationen beziehen können, aus denen die Ansteuereinrichtung 18 den entsprechenden Strom gemäß der vorliegenden Erfindung ableiten und einstellen kann.

Die Ansteuereinrichtung 18 kann somit mit dem Datenspeicher gekoppelt sein, in dem für eine Mehrzahl von Werten eines Betriebsparameters, wie etwa der Zwischenkreisspan- nungsinformationen und/oder Strömen, Spannungen oder dergleichen in der Vorrichtung, jeweils zumindest eine zugeordnete Abschaltstrominformation hinterlegt ist, die einen Ziel- wert für den Abschaltstrom angibt. Die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um den Strom durch den Halbleiterschalter basierend auf dem Zielwert zu steuern oder einzu- stellen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jedoch vorgesehen, dass nicht nur ein Wert der Abschaltstrominformation hinterlegt ist, sondern, je nach Implementierung in dem Da- tenspeicher, mehrere Abschaltstrominformationen in Abhängigkeit zumindest eines weite- ren Betriebsparameters und/oder eine Abhängigkeit der Abschaltstrominformation im Hin- blick auf den zumindest zweiten Betriebsparameter. Als Betriebsparameter können bei- spielsweise unterschiedliche Temperaturen der Vorrichtung verstanden werden oder ver- schiedene andere Parameter, die den Betrieb der Vorrichtung beeinflussen können, bei- spielsweise eine Zeitinformation, die eine Alterung oder anderweitige Veränderung des Be- triebszustands angibt. Die Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um die dem Be- triebsparameter (etwa Zwischenkreisspannungsinformation) zugeordnete Abschaltstromin- formationen aus dem Datenspeicher basierend auf dem ersten Betriebsparameter und dem zumindest zweiten Betriebsparameter zu lesen und daraus den Zielwert für den Abschalt- strom zu bestimmen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ansteuereinrichtung die benötigten Informati- onen ganz oder teilweise messen oder ganz oder teilweise schätzen oder anderweitig emp- fangen, beispielsweise über Datensignale. Die Ansteuereinrichtung kann beispielsweise ausgebildet sein, um Messwertinformationen zu erhalten, die mit einem Wert eines Be- triebszustands assoziiert sind, also diesen mittelbar oder unmittelbar angeben, und kann ausgebildet sein, um einen Zielwert für den Abschaltstrom basierend auf der Messwertin- formation zu berechnen. So kann die Ansteuereinrichtung basierend auf den Messwertin- formationen den anzulegenden oder einzustellenden Abschaltstrom direkt ableiten.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der im Zusammenhang mit hierin erörterten Aus- führungsbeispielen beschriebene Kommutierungsschwingkreis ein diskretes induktives oder diskretes kapazitives Bauelement aufweisen, das so verschaltet ist, um kombinato- risch mit einem parasitären Kapazitätswert oder einem parasitären Induktivitätswert des Kommutierungsschwingkreises zu wirken und die Resonanzschwingung zu beeinflussen.

Zum Ansteuern bzw. Schalten eines Halbleiterschalters einer hierin beschriebenen Schal- teranordnung kann zwar ein Gate-Vorwiderstand verwendet werden, allerdings ist dies nicht erforderlich, weswegen auf die Verwendung eines diskreten Widerstandselements auch verzichtet werden kann. Die Ansteuereinrichtung kann eingerichtet oder konfiguriert sein, um den Schaltvorgang mit einer Kanalabschaltzeitdauer wie nachfolgend dargelegt auszu- führen. Eine Leistungsfähigkeit des Treibers sollte dabei so ausgelegt sein, dass der Treiber in der Lage ist, die Kanalabschaltzeitdauer geringer einzustellen als die Resonanzfrequenz t _res . Vorteilhaft mit einer Zeit von höchstens 1/2 t _res , besonders bevorzugt 1/4 t _res . Je geringer die Kanalabschaltzeitdauer, desto geringer kann die resultierende Überspannung erhalten werden. Unter der Schaltdauer wird diejenige Zeitdauer verstanden, in welcher der Strom im aktiven Bereich des Halbleiterschalters von 90 % des Abschaltstroms I _T0,n auf 10 % des Abschaltstroms absinkt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterschalter 12 ₁ ausgelegt, um in einem bestimmungsgemäßen Betrieb hartschaltend betrieben zu werden. Alternativ oder zusätz- lich ist die Ansteuereinrichtung ausgebildet, um den Halbleiterschalter 12 ₁ hart zu schalten. Unter einem harten Abschalten wird verstanden, dass das Abschalten gleichzeitig bei ho- hem Strom und hoher Spannung erfolgt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Kommutierungsschwingkreis Teil einer Kommu- tierungszelle eines leistungselektronischen Energiewandlers, etwa eines Gleichspannungs- wandlers, eines Ladegeräts, etwa bei On-Board-Chargern und/oder eines bürstenlosen Gleichstrommotors, BLDC-Motor, und/oder in einer Beleuchtungsanwendung wie bei einem LED-Treiber. Dies ermöglicht die vorteilhafte Anwendung des hierin beschriebenen Prinzips in einem derartigen Gleichspannungswandler.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine hierin beschriebene Vorrichtung, etwa die Vor- richtung 10, als Gleichspannungswandler gebildet, der eines aus einem Aufwärtswandler (Boost-Converter), einem Abwärtswandler (Buck-Converter), einem Halbbrückenwandler, einem Vollbrückenwandler, einem invertierenden Wandler und einem Sperrwandler (Fly- back-Converter) umfasst. Dies ermöglicht die Anwendung des beschriebenen vorteilhaften Konzepts in unterschiedlichen Ausgestaltungen eines Gleichspannungswandlers, wobei auch andere Implementierungen jenseits eines Gleichspannungswandlers möglich sind.

Unabhängig von dem Einsatz der Ansteuereinrichtung 18 in der Vorrichtung 10 kann die Ansteuereinrichtung 18 derart vorkonfiguriert sein, dass sie ausgebildet ist, um einen Halb- leiterschalter zum Ausführen eines Abschaltvorgangs zu schalten, etwa bei einem späteren Verschalten den Halbleiterschalter 12 ₁ . Die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um basierend auf einer Eigenschaft des Halbleiterschalters zu ermitteln, dass ein Abschalt- strom, der durch den Halbleiterschalter innerhalb eines Toleranzbereichs die Bedingung erfüllt, dass wobei I _T0,n der Abschaltstrom, V _DC eine Zwischenkreisspannung eines Kommutierungskrei- ses, der den Halbleiteschalter umfasst, c _eff1 eine dem Halbleiterschalter 12 ₁ zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, Cerra eine einem mit dem Halb- leiterschalter 12 ₁ in dem Kommutierungskreis verschalteten Freilaufelement 14 ₂ zugeord- nete wirksame Kapazität, L _p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungs- schwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: 1) n = 2i + 1, i ∈ N ;

2) c _eff1 ≠ C _eff2 für n = 2i + 1, i ∈ N ₀ und um den Halbleiterschalter (12 ₁ ) basierend auf dem Ergebnis zu schalten.

Darunter kann verstanden werden, dass die Ansteuereinrichtung Kenntnis über den einzu- stellenden Abschaltstrom hat und den Abschaltstrom entsprechend einstellt und/oder Zeit- punkte des Abschaltens entsprechend wählt. Die Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um die Eigenschaft des Halbleiterschalters selbst zu bestimmen, etwa durch Messen, Annäherung oder Abschätzung und/oder ent- sprechende Werte vorzuhalten, etwa in einem Datenspeicher. Die Ansteuereinrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die ausgebildet ist, um die entsprechenden Informatio- nen von einem Datenspeicher und/oder einem Sensor zu erhalten.

Die Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um den Halbleiterschalter basierend auf einem Referenzstromwert zu steuern, beispielsweise dergestalt, dass ein Schaltvorgang erfolgt, wenn der Referenzstromwert erreicht ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteu- ereinrichtung zur Einstellung einer Pulsweite implementieren. Hierzu kann eine Topologie und die jeweils verwendeten Bauteile mitberücksichtigt werden. Durch eine Variation der Pulsbreite kann sich in einem breiten Bereich oder nahezu beliebig ein Stromwert durch eine Induktivität einprägen lassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuereinrichtung auf eine Zeitpunktvorgabe für einen Schaltzeitpunkt zurückgreifen, um den Halbleiterschal- ter basierend hierauf zu schalten.

Im Zusammenhang mit der Funktion zur Ermittlung der optimalen Schaltströme in der Vor- richtung 10 und/oder der Ansteuereinrichtung 18 können zur Ermittlung der optimalen Schaltströme diese entsprechend der angegebenen Formel abhängig von der Spannung, der parasitären Induktivität und den parasitären Kapazitäten, gegebenenfalls ergänzt durch diskrete Bauelemente, ermittelt werden. Die Schaltströme können somit beispielsweise durch Berechnung entsprechender Formel oder durch Ablesen entsprechend einer Tabelle oder durch selbstständiges Ermitteln der optimalen Ströme ermittelt werden. Sind die opti- malen Schaltströme bekannt, so kann optional zur Steuerung des Transistors, Halbleiter- schalters, die Regeleinrichtung oder Ansteuereinrichtung den Schaltstrom einstellen. Dies kann über das Steuern des abzuschaltenden Transistors erfolgen. Die Steuereinrichtung kann den optimalen Strom beispielsweise durch Vorgabe eines Referenzwerts, die Vorgabe einer passenden Pulsweite und/oder die Vorgabe eines passenden Schaltzeitpunkts errei- chen. Eine optionale Funktion besteht dabei weiterhin in der Leistungsregelung. So können Anwendungen vorliegen, bei denen unterschiedliche Leistungen gefordert sind, welche ge- gebenenfalls nicht den mittleren Strom der Schaltung, resultierend aus dem Abschaltstrom, ergeben. Zur Einregelung der gewünschten Leistung kann die Ansteuereinrichtung einen möglichst passenden Abschaltstrom gemäß des hier offenbarten Zusammenhangs wählen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerungseinrichtung zwischen zwei oder mehr Ab- schaltströmen I _T0,n abwechseln, um im Mittel den gesuchten Strom zu erhalten oder anzu- nähern. Ein Verfahren, beispielsweise um die Vorrichtung 10 zu steuern, kann insofern ein Steuern des Halbleiterschalters für das Abschalten und zum Ausführen eines Schaltvorgangs um- fassen. Das Verfahren wird so ausgeführt, dass für den Schaltvorgang der Halbleiterschal- ter mit einer Kanalabschaltzeitdauer geschalten wird, die kürzer ist als eine Periodendauer einer Resonanzschwingung des Kommutierungskreises, um eine Schwingung in dem Kom- mutierungskreis anzuregen. Der Schaltvorgang wird basierend auf dem abzuschaltenden Abschaltstrom ausgeführt, indem innerhalb eines Toleranzbereichs sichergestellt ist, dass wobei I _T0,n der abzuschaltende Abschaltstrom durch den Halbleiterschalter (12 ₁ ), V _DC eine Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises, c _eff1 eine dem Halbleiterschalter (12 ₁ ) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C _eff2 eine dem Frei- laufelement (14 ₂ ) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, L _p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natür- liche Zahl beschreibt; und so dass zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist:

1) n = 2i + 1, i ∈ N;;

2) c _eff1 ≠ C _eff2 für n = 2i + 1, i ∈ N ₀ .

Korrespondierend zum Verfahren zum Steuern der Vorrichtung kann ein Verfahren zum Steuern eines Halbleiterschalters zum Ausfuhren eines Abschaltvorgangs, etwa unter Zu- hilfenahme einer hierin beschriebenen Ansteuervorrichtung, umfassen, dass ein Ermitteln erfolgt, basierend auf einer Eigenschaft des Halbleiterschalters und zum Erhalt eines Er- gebnisses, dass ein Abschaltstrom, der durch den Halbleiterschalter fließt, innerhalb eines Toleranzbereichs die Bedingung erfüllt oder zu erfüllen hat, dass wobei I _T0,n der Abschaltstrom, V _DC eine Zwischenkreisspannung eines Kommutierungskrei- ses, der den Halbleiteschalter umfasst, Ceffi eine dem Halbleiterschalter (12 ₁ ) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C _eff2 eine einem mit dem Halb- leiterschalter (12 ₁ ) in dem Kommutierungskreis verschalteten Freilaufelement (14 ₂ ) zuge- ordnete wirksame Kapazität, L _p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungs- schwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist:

1) n = 2i + 1, i ∈ N;;

2) c _eff1 ≠ C _eff2 für n = 2i + 1, i ∈ N ₀ .

Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Abschalten dann erfolgt, wenn der passende Abschaltstrom vorliegt. Dies kann durch einen Eingriff in den Abschaltvorgang und/oder durch ein Einstellen des Stroms erfolgen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Gegenüberstellung zweier Diagramme 34 ₁ und 34 ₂ auf einer gemeinsamen Zeitachse t. Während Diagramm 34 ₁ den Strom in durch das Schaltelement 12 ₁ bzw. T ₁ zeigt, zeigt Diagramm 34 ₂ entsprechende Kurven für den Strom i _T2 durch das Schaltelement 12 ₂ bzw. T ₂ . Dargestellt sind jeweilige schematische Verläufe für unter- schiedliche Abschaltströme I _TO,1 , I _TO,3 , I _TO,5 , aus der Reihe I _T0,n , wobei die Amplitude des Ab- schaltstroms für steigenden Index n abnimmt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Index n auch größere Werte aufweisen kann, bspw. 7, 9, 11 oder noch höher.

Die Kanalabschaltzeitdauer t _off ist in der schematischen Darstellung vergleichsweise lang dargestellt, um eine deutliche Unterscheidbarkeit der Kurven 32 ₁ bis 32 ₃ im Diagramm 34 ₁ zu ermöglichen. Tatsächlich kann die Kanalabschaltzeitdauer t _off sehr kurz sein, was in ei- ner grafischen Darstellung zu sich nahezu überlagernden und fast senkrechten Kurven füh- ren würde, wie es bspw. in Fig. 6b gezeigt ist. Mit sinkendem Strom I _T0,n steigt die zugehö- rige Kommutierungsdauer tzos.n wie es die Kurven 33 ₁ bis 33 ₃ des Diagramms 34 ₂ .

Die Fig. 4a bis 4c zeigen exemplarisch Spannungen v _mp über einen beispielhaft ausgestal- teten Halbleiterschalter 12 ₁ der Vorrichtung 10 bei unterschiedlichen Betriebszuständen. Dabei sind Zeitangaben, Stromangaben und Spannungsangaben der dargestellten Bei- spielmessungen lediglich exemplarisch und nicht einschränkend für die Ausgestaltung hie- rin beschriebener Ausführungsbeispiel. Ferner ist zu den jeweiligen exemplarischen Mes- sung von I _TO,1 , I _TO,3 und I _TO,5 eine Darstellung der Auswirkung des Toleranzbereichs des Abschaltstroms für Abweichungen von bspw. +/-10 % gezeigt.

Die Darstellungen der in den Fig. 4a, 4b und 4c dargestellten beispielhaften Messungen unterscheiden sich dabei in der Wahl des Abschaltstroms I _T0,n für n = 1 , n = 3 und n = 5, wobei der Fall n = 1 als Referenz dient und nicht im Rahmen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele liegt, solange die Kapazitäten c _eff1 und C _eff2 identisch sind, wohl aber für den Fall, dass Unterschiede in den Kapazitätswerten vorliegen.

Zunächst ist erkennbar, dass ausgehend vom Zeitpunkt t _start für steigende n, damit sinkende Abschaltströme von 197 A in Fig. 4a, 79,5 A in Fig. 4b zu 50,6 A in Fig. 4c jeweils spätere Zeitpunkte t ₁ , t ₂ bzw. t ₃ erreicht werden, bis die Spannung ein mittleres Maximum von 800 V erreicht. Es ist dem Fachmann klar, dass der Begriff des Zero-Overvoltage-Switching qua- litativ ist und eine tatsächliche Freiheit von jeglichen Oberschwingern oder oszillierenden Überspannungen im realen Betrieb nicht erhalten wird, dass aber durch die erfindungsge- mäße Ausgestaltung die oszillierenden Überspannungen in einem Rahmen gehalten wer- den, der als störungsfrei für übrige Elemente der Baugruppe betrachtet werden kann.

Dass der gewählte Abschaltstrom I _TO,1 (Fig. 4a), I _TO,3 (Fig. 4b) bzw. I _TO,5 (Fig. 4c) ein jeweils optimaler Wert sein kann, ist dadurch dargestellt, dass zu den entsprechenden Kurven 36i, 36' ₁ und 36“ ₁ jeweils noch Abweichungen von -10 % (Kurven 36 ₂ , 36' ₂ und 36" ₂ ) gegenüber dem Abschaltstrom bzw. eine Abweichung von +10 % (Kurven 36 ₃ , 36' ₃ und 36" ₃ ) darge- stellt sind. Aus diesen geht hervor, dass eine Abweichung vom jeweiligen in den Kurven 36 ₁ , 36' ₁ und 36“1 dargestellten Abschaltströmen zu einer Zunahme der oszillierenden Überspannungen und somit zu Spannungsüberhöhungen führen kann. Es ist erkennbar, dass ausgehend von dem jeweiligen Abschaltstrom eine Abweichung sowohl hin zu höhe- ren Strömen als auch zu geringeren Strömen zu einer Zunahme der oszillierenden Über- spannungen führt, wobei insbesondere letzteres, eine Zunahme der oszillierenden Über- spannungen bei Schalten eines geringeren Stroms für den Fachmann überraschend ist.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung zweier Kurven 38 ₁ und 38 ₂ über der Zeit t und an der Ordinate die Spannung v _mp über den Halbleiterschalter 12 ₁ . Dabei ist mit der Kurve 38 ₂ für den Wert von n = 2 die höchste zu erwartende Überspannung unterhalb des Ab- schaltstroms I _TO,1 dargestellt und erläutert die vorteilhafte Randbedingung der Verwendung ungerader Werte für den Parameter n. Der Abschaltstrom, an dem die höchste zu erwar- tende Überspannung auftritt, ist mit I _{TO, 2} erreicht.

Durch die Verwendung von Zero Overvoltage Switching (ZOS) ist es möglich, Leistungs- halbleiter mit maximaler Schaltgeschwindigkeit zu schalten, ohne das Auftreten von hohen Abschaltüberspannungen. Erfindungsgemäß kann dieser Effekt bei unterschiedlichen Ab- schaltströmen eingestellt werden. Die hierin erörterten jeweils optimalen Abschaltströme I _T0,n können dabei innerhalb von Toleranzbereichen von +/-30 %, +/-20 % oder +/-10 % ein- gestellt werden, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erhalten, bevorzugt ist eine Genau- igkeit von +/-10 %, +/-5 % oder +/- 2 % bzw. weniger.

Der einzustellende Abschaltstrom I _TO / I _TO,n kann von der Zwischenkreisspannung V _DC , der parasitären Induktivität L _p sowie den parasitären Kapazitäten beeinflusst sein, die in nach- folgender Formel als C dargestellt sind.

Gegenüber einer Betrachtung, gemäß der wobei U _ZK die Zwischenkreisspannung, C die parasitäre Kapazität und L die parasitäre In- duktivität zum Bestimmen des Abschaltstroms l _ph für einen einzigen ZOS-Punkt beschreibt, wird erfindungsgemäß der Abschaltstrom nun berechnet zu:

Gegenüber dem Anwenden von ZOS bei lediglich einem bestimmten Abschaltstrom können nun eine höhere Anzahl von Abschaltströmen eingestellt werden. Dies bedeutet auch, dass anstelle lediglich eines Stromwerts eine höhere Anzahl von Stromwerten gemäß der vorlie- genden Erfindung verwendet werden kann. Dies ermöglicht eine hohe Freiheit bei der Leis- tungsvariation des Wandlersystems und insbesondere bei einem Betrieb im Teillastbereich. Erfindungsgemäß werden somit zusätzliche Vorteile erhalten, etwa gegenüber einem be- kannten ZOS, bei dem nur ein Abschaltstrom einstellbar ist und ein Teillastbereich bei- spielsweise nur bei Verwendung eines Valley-Skippings oder einem Burst-Mode möglich wäre. Zwar sind diese Betriebszustände auch kompatibel mit den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen, ein Teillastbetrieb kann aber bereits durch Wahl unterschiedlicher Abschaltströme erreicht werden, was vorteilhaft ist. Dies ermöglicht auch Vorteile gegen- über mehrphasig aufgebauten konventionellen Wandlersystemen, bei denen im Teillastbe- reich einzelne Phasen ein- bzw. abgeschaltet werden. Eine Parallelisierung einzelner Pha- sen hat zur Folge, dass ein höherer Bauteilaufwand nötig wird und dadurch die Kosten ansteigen, was erfindungsgemäß vermieden wird. Bei diesen Konzepten zum Einstellen variierender Leistung ist vorgesehen, dass der bereits bekannte Abschaltstrom erreicht wird, um das ZOS anwenden zu können, was erfindungsgemäß durch eine Vielzahl an Werten für den Abschaltstrom vermeiden wird.

Erfindungsgemäß wird der Anwendungsbereich von ZOS erweitert, indem zusätzliche Ab- schaltströme eingeführt werden. Hierzu werden eine entsprechende Anzahl von Abschalt- strömen mit jeweils geringen oder geringsten Schaltverlusten und zumindest näherungs- weise ohne Abschaltüberspannungen geschalten. Mit weiteren Abschaltströmen ist es ei- nem leistungselektronischen Wandlersystem nun möglich, den Leistungsbereich mit ZOS zu variieren. Der zutreffende Name „extended ZOS area“, kurz eZOSa (erweiterter ZOS- Bereich) beschreibt das erfindungsgemäße Konzept, das es ermöglicht, die Leistungsvari- ation des Wandlersystems einfach auszuführen.

Beim Betreiben von leistungselektronischen Energiewandlern im Teillastbereich bei ledigli- cher Verwendung von I _TO,1 können vergleichsweise große Ströme erforderlich sein. Mit der erfindungsgemäßen Einführung von eZOSa können wesentlich geringere Ströme verwen- det werden, um die erforderliche Leistung, insbesondere im Teillastbereich, stellen zu kön- nen.

Ausführungsbeispiele ermöglichen es in vorteilhafter Weise, weitere mögliche Abschalt- ströme zu nutzen, etwa um die Einstellung der geforderten Leistung einer Vorrichtung in mehreren Stufen zu ermöglichen. Bei einer bestimmten Zwischenkreisspannung ist es er- findungsgemäß möglich, mehrere diskrete Stromwerte eines Wandlersystems zu stellen. Bei Nutzung der weiteren Abschaltströme ist der Vorteil von ZOS enthalten, das bedeutet, dass der Betrieb auch im Teillastbereich mit maximaler Schaltgeschwindigkeit, bei minimal resultierender Abschaltüberspannung möglich ist. Dadurch wird die gesamte Effizienz des leistungselektronischen Systems gesteigert. Bei einer Reduzierung der Verluste ist es mög- lich, die notwendige Kühlung kleiner zu dimensionieren, was einen positiven Einfluss auf Gewicht, Volumen und Kosten haben kann.

Die Verwendung hierin beschriebener als eZOSa beschriebener Ausführungsbeispiele kann es ermöglichen, die Spannungsoszillationen im Teillastbereich zu reduzieren, wodurch der Aufwand für anzuwendende Filter reduziert werden kann, um weiterhin die Konformität von EMV-Richtlinien zu gewährleisten. Ein geringerer Filteraufwand bedeutet, dass die Filtereinheit kleiner und leichter aufgebaut werden kann, was vorteilhaft ist.

Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele können beispielsweise im Bereich der DC/DC- Wandler, unter anderem im Bereich der Brennstoffzellenanwendungen sowie leistungs- elektronische Anwendungen für Photovoltaik- und Speichersysteme, genutzt werden. Alter- nativ oder zusätzlich sind Anwendungen in der Leistungselektronik möglich, beispielsweise in der Elektromobilität, dort unter anderem bei On-Board-Chargern und/oder im Bereich bürstenloser Gleichstrommotoren, BLDC-Motoren.

Alternativ oder zusätzlich kann die Taktperiode geändert werden, so dass ein gegebener I _T0,n zu unterschiedlichen mittleren Strömen führt. Geeignete Mittel dazu sind beispielsweise das Valley-Skipping (DOM - Discontinuous Current Mode-Betrieb) oder Burst-Mode (Ab- schalten einer oder mehrerer Takte). Alternativ oder zusätzlich kann der Abschaltstrom um den Wert I _T0,n innerhalb eines Toleranzbereichs von beispielsweise +/-20 %, +/-10 % oder +/-5 % geändert werden. Dadurch weicht die Vorrichtung möglicherweise vom optimalen ZOS-Abschaltstrom ab, kann aber den mittleren Strom in entsprechendem Maße ändern, auch wenn hierzu geringe Oberspannung in Kauf genommen werden.

Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich dabei sowohl auf die Exten- ded ZOS Area, wobei hierzu n > 1 und/oder C _eff1 ≠C _eff2 ist. Eine hierin beschriebene An- steuereinrichtung kann den Abschaltstrom I _T0,n einstellen. Hierzu kann diese den richtigen Schaltzeitpunkt innerhalb der Taktperiode einstellen, etwa unter Verwendung einer Tabelle, einer Rechnung, einer Analogschaltung oder einer Annäherung. Alternativ oder zusätzlich kann eine hierin beschriebene Ansteuereinrichtung den Strom durch einen Referenzstrom (etwa Peak-Current-Regelung) einstellen, wozu eine Tabelle, eine Berechnung, eine Ana- logschaltung oder eine Annäherung verwendet werden kann. Gemäß Ausführungsbeispielen ist eine Ansteuereinrichtung möglicherweise adaptiv aus- gestaltet und/oder ausgelegt, um den Schaltvorgang auszuwerten, um möglicherweise selbstständig den Stromwert nach zu justieren, etwa wie bei einem MPP (Maximum Power Point)-Tracking und/oder einer Erfassung der Überspannung durch eine geeignete Einrich- tung, etwa eine Diode und einen RC-Speicher.

Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf eine Ansteuereinrichtung, die so gestaltet ist, dass deren Schaltgeschwindigkeit, Stromtragfähigkeit und/oder effektiver Gesamtwider- stand/Gesamtimpedanz das Entladen des Gates und das damit verbundene Abschalten des Kanals des Transistors in kürzerer Zeit ermöglicht als die Periodendauer des Kommu- tierungsschwingkreises. Dies kann als definierte Zeit t _off bezeichnet werden, die die Zeit- dauer des Abschaltvorgangs des Kanals des Transistors bezeichnet. Das bedeutet, die Ka- nalabschaltzeitdauer des Transistors kann so gering wie möglich eingestellt werden, der Transistor schaltet dementsprechend so schnell wie möglich ab. Die Zeitdauer des Kom- mutierungsvorgangs kann innerhalb der eZOSa variieren, abhängig von der Wahl von n. Je nachdem, welches n und welcher Abschaltstrom gewählt wird, ergeben sich hierzu unter- schiedliche Ergebnisse. In jedem Fall ist aber dennoch die Wahl der Kanalabschaltzeit- dauer des Transistors sehr gering.

In den Fig. 6a und 6b sind beispielhaft zeitliche Zusammenhänge der unterschiedlichen Parameter hierin beschriebener Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei wird Bezug ge- nommen auf das Blockschaltbild der Fig. 1 sowie das beispielhafte Ersatzschaltbild der Fig. 2. In Fig. 6a ist auf einer gemeinsamen Zeitachse t einerseits eine Kurve 44i darge- stellt, die zu einem ermittelten Abschaltstrom I _T0,n eine Gegenüberstellung des Stroms i _LPh (t) angibt. Dabei ist der Abschaltstrom I _T0,n ein konstanter Wert und bei Erreichen dieses Werts durch den Strom l _Lph (t) erfolgt das Schalten des Halbleiterschalters in Übereinstimmung mit den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen. Ferner ist in Fig. 6a eine Gegenüber- stellung von Strömen i _T1 (t) in Kurve 44 ₂ und des Stroms i _T2 (t) in Kurve 44 ₃ gezeigt, die innerhalb der Kommutierungsdauer t _zos,n aufgrund des Schaltvorgangs entsprechend wechseln. Der bei Erreichen des Abschaltstroms I _TO,n durchgeführte Schaltvorgang wird bevorzugt wiederholt ausgeführt. Die erneut ansteigende Kurve 44 ₁ kann bei erneutem Er- reichen des Abschaltstroms mit einem neuerlichen wiederholten Schaltvorgang einherge- hen, ebenso bei der Kurve 44 ₃ .

Fig. 6b zeigt eine zeitlich detailliertere Darstellung des Zeitintervalls tzos.n aus Fig. 6a, wobei in einem Übergangsbereich 46 der Wechsel zwischen einem anfänglichen Wert und einem Endwert der Kurve 44 ₃ beliebig sein kann und von der konkreten Implementierung der Schaltung abhängig ist. Der Verlauf der den Strom durch den Halbleiterschalter 12 ₁ ange- benden Kurve 44 ₂ kann basierend auf dem eingestellten Abschaltverhalten bevorzugt steil sein.

Während zu Beginn des Zeitintervalls tzos.n der Strom i _T1 (t) in Kurve 44 ₂ zumindest nähe- rungsweise dem Abschaltstrom entspricht, ist dies nach Ende des Schaltvorgangs für die Kurve 44 ₃ , die den Strom i _T2 (t) angibt, der Fall. Innerhalb der Kanalabschaltzeitdauer t _off fällt der Strom i _T1 (t) auf einen mit dem getrennten Zustand eines Schalters assoziierten Wert, beispielsweise 0. Innerhalb des Obergangsbereichs 46 zeigt Fig. 6b ebenfalls den Anstieg der Spannung v _mp über den Schalter 12 ₁ .

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfah- rens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein ent- sprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrites zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrens- schrit beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Er- findung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung digitalen Signalverarbeitungsschaltkreisen wie z. B. Mikrocontrollern, applika- tionsspezifischen integrierten Schaltkreisen, ASICs, und/oder in feldprogrammierbaren Gatterarrays, FPGAs und/oder unter Verwendung eines digitalen Speichermediums erfol- gen.

Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement wie ein vorerwähntes FPGA dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor Zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Vari- ationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten ein- leuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutz- umfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsen- tiert wurden, beschränkt sei.