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Die Erfindung betrifft einen isolierten Spannungswandler, insbesondere einen isolierten DC/DC-Wandler sowie ein Betriebsverfahren für den Spannungswandler.
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Für die Anwendung elektrischer Energie muss deren Spannung meistens der Last angepasst werden, also durch Wandler hoch- oder tiefgesetzt, gleich- oder wechselgerichtet oder frequenzversetzt werden. Dazu dienen derartige Spannungswandler, insbesondere DC/DC-Wandler (Gleichspannungs-Wandler). Diese sind beispielsweise als Linearregler oder geschaltete Wandler (auch Schaltregler oder Schaltnetzteile genannt) ausgeführt und dienen einer regelbaren Gleichspannungsversorgung von Verbrauchern, insbesondere elektronischen Geräten, wie beispielsweise Personalcomputer, Mobiltelefone, Motoren. Ein weiteres Einsatzgebiet der Spannungswandler ist die aktive Filterung für modulare Mehrpunktstromrichter, auch als modular multilevel converter M2C bekannt und Mehrstufen-Wechselrichter, die durch ihre Betriebsweise einen stufigen Spannungsverlauf aufweisen.
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Insbesondere bei Filteranwendungen ist eine hohe Dynamik erforderlich, um auch Spannungs-Schwankungen hoher Frequenz ausgleichen zu können. Die Geschwindigkeit von Anpassungen an Störungen wird unter anderem durch die Schalter begrenzt, deren Ausgangskapazität bei den Schaltvorgängen umgeladen werden muss. Daneben existieren noch Grenzen in der Ansteuergeschwindigkeit der Schalter durch eine Steuerelektronik, die aber heute zunehmend überwunden sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Spannungswandler, insbesondere Gleichspannungswandler anzugeben, der eine hohe Dynamik aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Betriebsverfahren für den Spannungswandler anzugeben. Diese Aufgaben werden durch einen Spannungswandler mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler umfasst einen ersten und einen zweiten Stromrichter, wobei der erste Stromrichter einen ersten bis vierten Knotenpunkt aufweist und der erste und zweite Knotenpunkt Anschlusskontakte, beispielsweise Gleichspannungsanschlüsse, für den ersten Stromrichter darstellen.
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Weiterhin umfasst der erste Stromrichter einen ersten Kondensator zwischen dem ersten und zweiten Knotenpunkt, eine erste Induktivität zwischen dem ersten und dritten Knotenpunkt, einen ersten Leistungshalbleiter zwischen dem zweiten und dritten Knotenpunkt, eine zweite Induktivität zwischen dem ersten und vierten Knotenpunkt und einen zweiten Leistungshalbleiter zwischen dem zweiten und vierten Knotenpunkt.
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Der zweite Stromrichter weist einen fünften bis achten Knotenpunkt auf, wobei der fünfte und sechste Knotenpunkt Anschlusskontakte für den zweiten Stromrichter darstellen. Weiterhin umfasst der zweite Stromrichter einen zweiten Kondensator zwischen dem fünften und sechsten Knotenpunkt, eine dritte Induktivität zwischen dem fünften und siebten Knotenpunkt, einen dritten Leistungshalbleiter zwischen dem sechsten und siebten Knotenpunkt, eine vierte Induktivität zwischen dem fünften und achten Knotenpunkt und einen vierten Leistungshalbleiter zwischen dem sechsten und achten Knotenpunkt.
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Die Induktivitäten der Stromrichter sind dabei auf einem gemeinsamen Kern angeordnet.
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Als funktionale Beschreibung kann die aktive Wechselrichterstufe als eine resonante Doppel-Klasse-E-Schaltstufe bezeichnet werden. Der Gleichrichter kann als resonanter Doppelsynchrongleichrichter bezeichnet werden. Die Induktivitäten der Doppel-Klasse-E-Schaltstufe sind transformatorisch an die Induktivitäten des Doppelsynchrongleichrichters gekoppelt. Der Doppelsynchrongleichrichter und die Doppel-Klasse-E-Schaltstufe sind dabei ähnlich aufgebaut. Vorteilhaft können daher Quelle und Last, also die Funktion des Wechselrichters und des Gleichrichters durch geeignete Ansteuerung der Leistungshalbleiter umgekehrt werden und so die Leistung in beide Richtungen übertragen werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der vorbeschriebene Spannungswandler so betrieben, dass die Leistungshalbleiter mit einer Schaltfrequenz von wenigstens 100 kHz, insbesondere wenigstens 1 MHz geschaltet werden.
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Für die Erfindung wurde erkannt, dass die Klasse-E-Schaltstufe sowohl in weiten Betriebsbereichen bei festen reaktiven Schaltelementen Schaltentlastung aufweist als auch harmonische, also sinusähnliche Spannungsverläufe bei extrem hohen Frequenzen erzeugen kann, da die Eigenkapazitäten der Leistungshalbleiter Teil der Klasse-E-Schaltung sind und somit nicht die Dynamik der Stufe begrenzen. Die vorliegende bidirektionale Schaltungstopologie kann daher aufgrund ihrer sehr hohen Schaltfrequenzmöglichkeiten und Dynamik als aktive Filterzelle in anderen elektrischen Wandlern dienen oder als Einzelzelle eines isolierten kaskadierten Mehrstufenwandlers. Hierbei kann als Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter eine Frequenz bis in den Bereich von MHz gewählt werden, wodurch ein Ausgleich von Störung entsprechend hoher Frequenz ermöglicht wird. Es können so Störungen mit Frequenzen oberhalb von 100 kHz entfernt werden. Vorteilhaft wird dadurch also der Einsatz als aktiver Filter ermöglicht, auch wenn sehr hochfrequente Störungen vorliegen, was wiederum für die Gesamtschaltung, also beispielsweise den Wechselrichter oder M2C eine Einsparung an schweren und großen passiven Filterkomponenten ermöglicht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Gleichspannungswandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- - Der Spannungswandler kann einen dritten Kondensator parallel zum ersten Leistungshalbleiter, einen vierten Kondensator parallel zum zweiten Leistungshalbleiter, einen fünften Kondensator parallel zum dritten Leistungshalbleiter und einen sechsten Kondensator parallel zum vierten Leistungshalbleiter umfassen. Damit wird eine verbesserte Schaltentlastung erreicht, wenn die Schaltfrequenz für die Leistungshalbleiter unterhalb des hohen MHz-Bereichs liegt. Die zusätzlichen Kondensatoren liegen funktionell parallel zu den Eigenkapazitäten der Leistungshalbleiter. Die Kapazität des dritten bis sechsten Kondensators ist zweckmäßig zusammen mit den Werten der vier Induktivitäten abgestimmt auf die Betriebsfrequenz des Spannungswandlers, um eine gute Schaltentlastung im Bereich der Betriebsfrequenz zu erreichen. Während die Eigenkapazität eines Leistungshalbleiters beispielsweise 200 pF betragen kann, kann als Kapazität für den dritten bis sechsten Kondensator eine Kapazität im Bereich von 10 nF bis 10 µF, beispielsweise 200 nF gewählt werden.
- - Die Induktivitäten der Stromrichter, d.h. die erste bis vierte Induktivität können identisch aufgebaut sein. Insbesondere können sie im Wesentlichen jeweils aus einer einzelnen Windung bestehen. Zweckmäßig haben die Induktivitäten zueinander dieselbe Kopplung.
- - Der erste und zweite Stromrichter können insgesamt identisch aufgebaut sein. Identisch bedeutet dabei, dass die Verbindungen der elektrischen Bauelemente untereinander identisch sind. Identisch bedeutet ferner, dass die elektrischen Bauelemente gleich dimensioniert sind bzgl. der elektrischen Kenngrößen wie beispielsweise Kapazität oder Sperrspannung. Vorteilhaft wird der Aufbau des Gleichspannungswandlers dadurch modularer und dadurch einfacher und kostengünstiger. Auch sind die Dynamik und andere Eigenschaften des Gleichspannungswandlers dadurch unabhängig von der Leistungsfluss-Richtung.
- - Die Steuerungseinrichtung kann ausgestaltet sein, beide Stromrichter sowohl als Gleichrichter wie auch als Wechselrichter betreiben zu können. Dadurch wird vorteilhaft ermöglicht, beide Richtungen für den Leistungsfluss verwenden zu können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Stromrichter jeweils eine eigene Steuereinrichtung umfassen, die den Betrieb als Gleichrichter und Wechselrichter erlaubt. Diese kann dann für beide Stromrichter völlig identisch gestaltet sein, sodass insgesamt die Stromrichter völlig identisch und vertauschbar sein können. Vorteilhaft wird dadurch der Aufbau und Wartung des Gleichspannungswandlers vereinfacht.
- - Es ist auch möglich, dass die beiden Stromrichter nicht identisch aufgebaut sind, sondern sich in den Windungszahlen der Induktivitäten unterscheiden. Dadurch kann ein Übersetzungsverhältnis ungleich 1 erreicht werden, also ein Spannungsverhältnis zwischen den beiden Stromrichtern von beispielsweise 1:2 oder 1:4. Zweckmäßig sind der dritte bis sechste Kondensator von einem der beiden Stromrichter oder beiden Stromrichtern an die jeweilige Induktivität und Betriebsfrequenz angepasst. Daher sind die Kapazitäten dieser Kondensatoren in dieser Ausgestaltung auch zwischen den Stromrichtern verschieden.
- - Die Steuerungseinrichtung für einen der Stromrichter oder beide Stromrichter kann ausgestaltet sein, die Leistungshalbleiter so zu betreiben, dass eine Eingangs-Gleichspannung in einem der Stromrichter in eine Wechselspannung mit einer Frequenz von wenigstens 100 kHz, insbesondere wenigstens 1 MHz gewandelt wird. Hierdurch wird die besonders hohe Dynamik der Klasse-E-Schaltstufen besonders gut ausgenutzt.
- - Die Leistungshalbleiter können SiC-Schalter oder GaN-Schalter sein. Diese erlauben besonders hohe Schaltfrequenzen. Besonders vorteilhaft sind diese Schalter in Verbindung mit dem Aufbau, der einem Klasse-E-Verstärker ähnelt, da mit diesem Aufbau die höchsten Schaltfrequenzen, die die Leistungshalbleiter erlauben, auch tatsächlich umsetzbar sind.
- - Der Spannungswandler kann als Gleichspannungswandler ausgestaltet sein.
- - Der Spannungswandler wird bevorzugt schaltentlastet betrieben, d.h. die Leistungshalbleiter schalten bevorzugt im Spannungsnulldurchgang.
- - Bevorzugt weist der Spannungswandler eine Steuerung basierend auf einem FPGA auf. Zur Erzeugung von Messwerten für die Steuerung der Leistungshalbleiter weist der Spannungswandler bevorzugt Stromwandler auf.
- - Der Spannungswandler kann mit einer Modulation der Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter betrieben werden. Insbesondere kann dadurch eine sinusförmige Modulation des Leistungsflusses erreicht werden. Auch andere Modulationsformen sind möglich. Besonders vorteilhaft ist das wiederum in Filteranwendungen, in denen periodische Störsignale hoher Leistung ausgeglichen werden müssen.
- - Der Spannungswandler kann intermittierend betrieben werden, wobei sich aktive Zeiten mit einem Leistungsfluss und inaktive Zeiten ohne Leistungsfluss abwechseln. Mit anderen Worten wird der Spannungswandler mit einem Tastverhältnis, das nicht konstant sein muss, betrieben und wechselt zwischen Betriebsphasen und stillliegenden Phasen. Im zeitlichen Mittel wird dadurch eine geringere Leistung übertragen als in den jeweiligen aktiven Phasen. Dadurch wird vorteilhaft die Beschränkung der Klasse-E-Verstärker umgangen, die eine Übertragung von weniger als etwa 40% der maximalen Leistung bei Beibehaltung der Schaltentlastung verhindert. Vorteilhaft können so nämlich auch Leistungen unterhalb dieser 40% im zeitlichen Mittel unter Beibehaltung der Schaltentlastung übertragen werden.
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Der Spannungswandler betrifft die Leistungselektronik. Die von den Leistungshalbleitern schaltbare Leistung beträgt wenigstens 10 W, insbesondere wenigstens 100 W oder wenigstens 1 kW. Die Spannungen betragen wenigstens 1 V.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematisierter und vereinfachter Form
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- 1 einen isolierten Spannungswandler,
- 2 und 3 Strom-Zeit-Diagramme für den isolierten Spannungswandler.
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1 zeigt ein elektrisches Schaltbild für einen isolierten Spannungswandler 100 nach einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Der Spannungswandler 100 umfasst einen ersten Stromrichter 110 und einen zweiten Stromrichter 210. Sowohl der erste als auch der zweite Stromrichter 110, 210 sind nach Art eines doppelten Klasse-E-Verstärkers aufgebaut, der schaltentlastet betrieben wird.
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Der Aufbau des ersten Stromrichters 110 wird anhand von vier Knotenpunkten 116, 118, 120, 122 erläutert. Der erste Knotenpunkt 116 stellt einen Spannungsein- oder Ausgang für den ersten Stromrichter 110 dar und ist mit einem ersten Anschlusskontakt 112 verbunden. Der zweite Knotenpunkt 118 stellt ebenfalls einen Spannungsein- oder Ausgang für den ersten Stromrichter 110 dar und ist mit einem zweiten Anschlusskontakt 114 verbunden. Zwischen dem ersten und dem zweiten Knotenpunkt 116, 118 ist ein erster Kondensator 132 angeordnet.
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Zwischen dem ersten und dem dritten Knotenpunkt 116, 120 ist eine erste Induktivität 142 angeordnet. Zwischen dem dritten und dem zweiten Knotenpunkt 120, 118 ist eine erste Parallelschaltung 138 aus einem ersten MOSFET 124, einer ersten Schottkydiode 128 und einem dritten Kondensator 130 angeordnet. Die erste Schottkydiode 128 ist dabei sperrend für Strom vom ersten zum zweiten Knotenpunkt 116, 118 angeordnet.
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Zwischen dem ersten und dem vierten Knotenpunkt 116, 122 ist eine zweite Induktivität 144 angeordnet. Zwischen dem vierten und dem zweiten Knotenpunkt 122, 118 ist eine zweite Parallelschaltung 140 aus einem zweiten MOSFET 126, einer zweiten Schottkydiode 134 und einem vierten Kondensator 136 angeordnet. Die zweite Schottkydiode 134 ist dabei ebenfalls sperrend für Strom vom ersten zum zweiten Knotenpunkt 116, 118 angeordnet.
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Die erste und zweite Induktivität sind dabei gleichsinnig und an einem gemeinsamen Kern 150 angeordnet.
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Der Aufbau des zweiten Stromrichters 210 wird anhand von vier Knotenpunkten 216, 218, 220, 222 erläutert. Der fünfte Knotenpunkt 216 stellt einen Spannungsein- oder Ausgang für den zweiten Stromrichter 210 dar und ist mit einem dritten Anschlusskontakt 212 verbunden. Der sechste Knotenpunkt 218 stellt ebenfalls einen Spannungsein- oder Ausgang für den zweiten Stromrichter 210 dar und ist mit einem vierten Anschlusskontakt 214 verbunden. Zwischen dem fünften und dem sechsten Knotenpunkt 216, 218 ist ein zweiter Kondensator 232 angeordnet.
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Zwischen dem fünften und dem siebten Knotenpunkt 216, 220 ist eine dritte Induktivität 242 angeordnet. Zwischen dem siebten und dem sechsten Knotenpunkt 220, 218 ist eine dritte Parallelschaltung 238 aus einem dritten MOSFET 224, einer dritten Schottkydiode 228 und einem fünften Kondensator 230 angeordnet. Die dritte Schottkydiode 228 ist dabei sperrend für Strom vom fünften zum sechsten Knotenpunkt 216, 218 angeordnet.
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Zwischen dem fünften und dem achten Knotenpunkt 216, 222 ist eine vierte Induktivität 244 angeordnet. Zwischen dem achten und dem sechsten Knotenpunkt 222, 218 ist eine vierte Parallelschaltung 240 aus einem vierten MOSFET 226, einer vierten Schottkydiode 234 und einem sechsten Kondensator 236 angeordnet. Die vierte Schottkydiode 234 ist dabei ebenfalls sperrend für Strom vom fünften zum sechsten Knotenpunkt 216, 218 angeordnet.
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Die dritte und vierte Induktivität sind dabei gleichsinnig und an dem für alle Induktivitäten 142, 144, 242, 244 gemeinsamen Kern 150 angeordnet.
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Der erste und zweite Stromrichter 110, 210 sind in diesem Beispiel identisch aufgebaut. Dadurch ist der Gesamtaufbau des Spannungswandlers 100 symmetrisch und beide Stromrichter 110, 210 können als Ein- und Ausgang verwendet werden. Dadurch kann beispielsweise elektrische Energie rekuperiert, also in Rückwärtsrichtung in die Quelle, beispielsweise eine Batterie, zurückübertragen werden. Eine Eingangsspannung kann also sowohl am ersten und zweiten Anschlusskontakt 112, 114 anliegen wie auch am dritten und vierten Anschlusskontakt 212, 214. Je nach Richtung des Leistungsflusses wird also einer der beiden Stromrichter 110, 210 als Wechselrichter betrieben und der jeweils andere Stromrichter 110, 210 als Gleichrichter.
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Im Betrieb als Wechselrichter wandelt der jeweilige Stromrichter 110, 210 eine anliegende Eingangsspannung in eine Wechselspannung einer vorgegebenen Frequenz. Diese Frequenz kann durch den vorteilhaften Aufbau sehr hoch gewählt werden, beispielsweise 100 kHz, 500 kHz oder auch 2 MHz. Der resonante Betrieb mit abgestimmten Werten der Kondensatoren inklusive der Eigen-Kapazitäten der MOSFETs 124, 126, 224, 226 und der Induktivitäten 142, 144, 242, 244 erlaubt stets ein Schalten der MOSFETs im weitgehend spannungsfreien oder stromfreien Zustand, wodurch auch bei höchsten Frequenzen nur geringfügige Schaltverluste auftreten. Die hohe Schaltfrequenz bedingt eine schnelle Reaktion des Spannungswandlers 100 auf veränderte Bedingungen. Dieser Betrieb bedingt vorteilhaft auch annähernd sinusförmige Verläufe für die Spannung, was für geringe Aussendung von Störsignalen sorgt.
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2 zeigt ein Simulationsergebnis für einen Anschwingvorgang, bei dem eine Schaltfrequenz von 2 MHz verwendet wurde. Die Leistung P steigt innerhalb von etwa 2,4 µs in den Bereich des Endwerts von etwa 140 W. 2 zeigt dazu die Verläufe der Gate-Ansteuersignale VG1, VG2, der Ströme in den MOSFETs 124, 226 und die Spannungen US1A, US1B, US2A, US2B an den MOSFETs 124, 126, 224, 226. 3 zeigt einen vergrößerten Bereich aus dem Graph der 2, in dem die Leistung P schon weitgehend eingeschwungen ist.
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Der dritte und vierte Kondensator 130, 136 sowie die beiden Schottkydiode 128, 134 sind optional und können unter bestimmten Betriebsvoraussetzungen weggelassen werden. Beispielsweise können der dritte und vierte Kondensatoren 130, 136 bei sehr hohen Schaltfrequenzen, insbesondere ab etwa 100 MHz, für die MOSFETs 124, 126 entfallen. In einer möglichen alternativen Ausgestaltung reduziert sich daher der Aufbau des Stromrichters 110 auf den ersten Kondensator 132 und parallel dazu und zueinander zwei Serien aus erster Induktivität 142 und erstem MOSFET 124 sowie aus zweiter Induktivität 144 und zweitem MOSFET 126.
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Vorteilhaft ist bei der beschriebenen Schaltung, dass der Kopplungsgrad des Trafos, also der Induktivitäten 142, 144, 242, 244 mit dem Kern 150, sehr weit gewählt werden kann. Beispielsweise kann neben einem gewöhnlichen Transformatoraufbau mit einer hohen Kopplung von 0,92 auch ein Transformatoraufbau mit einer Kopplung von nur 0,4 eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn bei besonders hohen Betriebsfrequenzen wie 50 MHz oder mehr ein HF-Kern, beispielsweise ein Sendust-Kern verwendet wird, mit dem die Kopplung automatisch geringer ausfällt.
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Ebenfalls vorteilhaft an der beschriebenen Schaltung ist, dass sie innerhalb weniger Schaltperioden den Leistungsfluss umkehren kann. Da die Betriebsfrequenz bei der Schaltung sehr hoch gewählt werden kann, bedeutet das eine Möglichkeit zur Umschaltung der Leistungsfluss-Richtung im µs-Bereich. Besonders gut kann diese Eigenschaft bei der Anwendung in der Filterung eingesetzt werden.
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Durch Kopplung zweier Spannungswandler 100 kann somit bzgl. der Leistung ein Vier-Quadranten-Wandler aufgebaut werden, der also bei beiden Polaritäten Leistung in beide Richtungen übertragen kann.
