DE102011079253A1 - Circuit arrangement for equalizing state of charge of series-connected energy storage device of battery, has energy storage device which is connected parallelly with respect to series circuit of secondary winding of transformer - Google Patents
Circuit arrangement for equalizing state of charge of series-connected energy storage device of battery, has energy storage device which is connected parallelly with respect to series circuit of secondary winding of transformer Download PDFInfo
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- H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ausgleich ungleicher Ladezustände von Energiespeichern oder Spannungsquellen, z.B. galvanischen Zellen in Akkumulatoren.The invention relates to a circuit arrangement and a method for compensating unequal states of charge of energy stores or voltage sources, e.g. galvanic cells in accumulators.
Die einzelnen Energiespeicher werden auch als Zellen bezeichnet. Die Zellen sind insbesondere in einer Reihenschaltung miteinander zu einem Akkumulator verbunden. Ein Akkumulator besteht also aus einer Reihenschaltung mehrerer Zellen. Bei typischen Akkumulatoren, wie z.B. Autobatterien, sind normalerweise nur die äußersten Anschlüsse als Akkumulatoranschlüsse zugänglich. Die inneren Verbindungen der Zellen, auch als Mittelknoten bezeichnet, befinden sich unzugänglich im Gehäuse.The individual energy stores are also referred to as cells. The cells are connected to each other in particular in a series circuit to an accumulator. An accumulator thus consists of a series connection of several cells. In typical accumulators, such as e.g. Car batteries, usually only the outermost connections are accessible as accumulator connections. The inner connections of the cells, also referred to as central nodes, are inaccessible in the housing.
Hintergrundbackground
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Angleichen des Ladezustandes von seriell verschalteten Energiespeichern nach der Gattung des Hauptanspruchs. Seriell verschaltete Energiespeicher finden in vielerlei Gebieten Anwendung. Sie sind in Notebooks ebenso zu finden wie in Akkuschraubern, Akkurasenmähern und diversen anderen Akkumulatorbetriebenen Werkzeugen. In neuerer Zeit werden hierfür immer öfter Lithium-basierte Energiespeicher verwendet. Diese haben diverse Vorteile wie eine höhere Energiedichte, keinen Memoryeffekt und eine höhere Zellenspannung. Lithium-basierte Energiespeicher haben aber auch Nachteile: Viele Varianten dieser Speicher benötigen, wenn sie seriell in einem Akkumulator verschaltet sind, aktive Schaltungen zum Ladungsangleich, da sonst die Gefahr besteht, das die einzelnen Zellen in einem Akkumulator auseinanderlaufen. Dies bedeutet, dass die in einer Zelle gespeicherte Energie im Vergleich zu der in den anderen Zellen des Akkumulators immer unterschiedlicher wird.The invention is based on a device for equalizing the state of charge of serially interconnected energy stores according to the preamble of the main claim. Serially interconnected energy stores are used in many areas. They can be found in notebooks as well as in cordless screwdrivers, battery mowers and various other accumulator operated tools. In recent times, more and more lithium-based energy storage are used for this purpose. These have various advantages such as a higher energy density, no memory effect and a higher cell voltage. However, lithium-based energy storage devices also have disadvantages: many variants of these memories, if they are connected in series in an accumulator, require active circuits for charge equalization, since otherwise there is the danger that the individual cells will diverge in one accumulator. This means that the energy stored in one cell becomes more and more different compared to that in the other cells of the accumulator.
Ohne Zugänge zu besagten Mittelknoten und ohne eine entsprechende Beschaltung können die Ladezustände der einzelnen Zellen nicht beeinflusst, insbesondere nicht effizient gegenseitig ausgeglichen werden. Dies führt dann zu einem Kapazitätsverlust des Akkumulators. Da einzelne Zellen fertigungsbedingt einer gewissen Streuung unterliegen, werden z.B. durch geringfügig unterschiedliche Innenwiderstände einzelne Zellen stärker entladen als ihre Nachbarn im Verbund des Akkumulators: Dieser gilt als entladen, sobald die erste Zelle des Verbundes entladen ist, obwohl in den anderen Zellen noch Restladungen vorhanden sind. Auch beim Laden des Akkumulators wirkt sich dieser Aspekt aus, und es werden einige Zellen mehr aufgeladen als andere. Über mehrere Zyklen kann das dazu führen, dass einige Zellen einen deutlich geringeren Ladezustand haben als andere und somit deutlich früher entladen sind als der Rest im Verbund. Auf der anderen Seite kann es auch Zellen geben, die aus oben genannten Gründen einen signifikant höheren Ladezustand besitzen und damit beim Laden deutlich früher vollgeladen sind als andere Zellen des Akkumulators: Obwohl dessen n-1 Zellen noch Restladekapazitäten hätten, gilt der Akkumulator als vollgeladen, sobald seine erste Zelle vollständig aufgeladen ist. Insbesondere bei Akkumulatoren mit Lithium-Chemie stellt dies ein erhebliches Problem dar, da Zellen dieser Chemie niemals überladen oder tiefentladen werden dürfen. Auch wenn dies nicht geschieht, ist bei Auseinanderlaufen der Zellen mit einer deutlich reduzierten Zyklenfestigkeit und mit einer geringen nutzbaren Entladungstiefe des Akkumulators zu rechnen. Hieraus resultiert, dass die Reihenschaltung aus mehreren Zellen zu einem Akkumulator nur so stark ist wie dessen schwächste Zelle. Schaltungen zum Ladungsausgleich zwischen diesen Zellen können diesen Missstand lindern.Without access to said central node and without a corresponding wiring, the charge states of the individual cells can not be influenced, in particular can not be compensated for each other efficiently. This then leads to a loss of capacity of the accumulator. Since individual cells are subject to a certain scatter due to production, e.g. by slightly different internal resistances single cells discharge more than their neighbors in the composite of the accumulator: This is considered discharged as soon as the first cell of the composite is discharged, although in the other cells still residual charges are present. Even when charging the battery, this aspect has an effect and some cells charge more than others. Over several cycles, this can lead to some cells having a significantly lower state of charge than others and thus being discharged much earlier than the rest in the composite. On the other hand, there may also be cells which for the reasons mentioned above have a significantly higher state of charge and thus are charged much faster when charging than other cells of the accumulator: although its n-1 cells still have residual charge capacities, the accumulator is considered fully charged, once his first cell is fully charged. This is a significant problem especially with rechargeable batteries with lithium chemistry since cells of this chemistry must never be overcharged or deep discharged. Even if this does not happen, it is to be reckoned with a significantly reduced cycle stability and with a small usable depth of discharge of the accumulator when the cells run apart. The result is that the series connection of several cells to an accumulator is only as strong as its weakest cell. Charge balance circuitry between these cells can alleviate this shortcoming.
Aus der
Aus der gleichen Schrift ist auch eine Ausgleichsschaltung mit einem Gleichspannungswandler pro Zelle bekannt, bei der die einzelnen Gleichspannungswandler überschneidend miteinander verschaltet sind. Die Gleichspannungswandler benötigen allerdings 2 Schalter pro Gleichspannungswandlerzelle und sind damit aufwendig und teuer in der Herstellung.From the same document, a compensation circuit with a DC-DC converter per cell is known in which the individual DC-DC converter are interconnected overlapping each other. However, the DC-DC converters require 2 switches per DC-DC converter cell and are therefore complicated and expensive to manufacture.
Aufgabetask
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die kostengünstiger in der Herstellung ist und die unabhängig von der Gesamtspannung des Akkumulators flexibel konfigurierbar ist.It is an object of the invention to provide a circuit arrangement which is less expensive to manufacture and which is independent of the Total voltage of the accumulator is flexibly configurable.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Lösung der Aufgabe bezüglich der Schaltungsanordnung erfolgt erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung zum Angleichen des Ladezustandes von seriell verschalteten Energiespeichern mit folgenden Merkmalen:
- – die Schaltungsanordnung weist mindestens eine Wandlerzelle auf, die parallel zu jeweils zwei Energiespeichern aus der Serienschaltung des Akkumulators geschaltet ist,
- – jede Wandlerzelle weist einen Transformator oder eine Speicherinduktivität, eine einzige Diode und einen einzigen Schalter auf,
- – parallel zu einem ersten Energiespeicher ist eine Serienschaltung der Primärwicklung des Transformators oder der Speicherinduktivität und des Schalters geschaltet, deren Enden den Eingang der Wandlerzelle bilden,
- – parallel zu einem seriell folgenden zweiten Energiespeicher ist eine Serienschaltung der Sekundärwicklung des Transformators oder der Speicherinduktivität und der Diode geschaltet, deren Enden den Ausgang der Wandlerzelle bilden,
- – der Schalter wird von einer Steuerschaltung angesteuert,
- – die Steuerschaltung jeder Wandlerzelle arbeitet autark für sich, und ist nicht mit den Steuerschaltungen weiterer Wandlerzellen verbunden.
- The circuit arrangement has at least one converter cell which is connected in parallel with two energy stores each from the series circuit of the accumulator,
- Each converter cell has a transformer or a storage inductance, a single diode and a single switch,
- A series circuit of the primary winding of the transformer or of the storage inductor and of the switch is connected in parallel with a first energy store, the ends of which form the input of the converter cell,
- A series circuit of the secondary winding of the transformer or of the storage inductor and of the diode is connected in parallel with a series-connected second energy store, the ends of which form the output of the converter cell,
- The switch is controlled by a control circuit,
- - The control circuit of each converter cell operates autonomously by itself, and is not connected to the control circuits of other converter cells.
Die Steuerschaltung nutzt dabei bevorzugt das Potential zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher und besonders bevorzugt das negative Potential des ersten Energiespeichers als Bezugspotential (BP), und die Potentiale der anderen Pole des ersten beziehungsweise zweiten Energiespeichers als Steuerspannungen. The control circuit preferably uses the potential between the first and the second energy store and particularly preferably the negative potential of the first energy store as the reference potential (BP), and the potentials of the other poles of the first or second energy store as control voltages.
In einer ersten Ausführungsform ist die Wandlerzelle als Drosselinverswandler ausgeführt, der dem ersten Energiespeicher Energie entnimmt und in den zweiten Energiespeicher transferiert. In einer alternativen ersten Ausführungsform kann der Wandler als Boostwandler ausgeführt sein, der dem zweiten Energiespeicher Energie entnimmt und in den ersten Energiespeicher transferiert. Dies bietet den Vorteil eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus.In a first embodiment, the converter cell is designed as a throttle inverter, which takes energy from the first energy store and transfers it to the second energy store. In an alternative first embodiment, the converter may be designed as a boost converter, which takes energy from the second energy store and transfers it into the first energy store. This offers the advantage of a simple and inexpensive construction.
In einer zweiten Ausführungsform ist die Wandlerzelle als galvanisch getrennter Sperrwandler bzw. Flyback-Wandler ausgeführt, der dem ersten Energiespeicher Energie entnimmt und in den zweiten Energiespeicher transferiert. Diese Ausführungsform ist mit nur geringen jeweiligen technischen Anpassungen – also beispielsweise auf identischen Schaltungsträgern – überall im Akkumulator einsetzbar und damit am flexibelsten bzgl. absoluter Lage der beteiligten ersten und zweiten Energiespeicher und bzgl. Festlegung des Bezugspotentials. Durch die galvanische Trennung kann die Energie auch zwischen zwei elektrisch nicht benachbarten Energiespeichern transferiert werden. In solch einer Ausführungsform ist der erste Energiespeicher dabei bevorzugt der Energiespeicher mit dem niedrigsten Potential im Akkumulator und der zweite Energiespeicher bevorzugt der Energiespeicher mit dem höchsten Potential im Akkumulator. In einer alternativen zweiten Ausführungsform ist der zweite Energiespeicher dabei bevorzugt der Energiespeicher mit dem niedrigsten Potential im Akkumulator und der erste Energiespeicher bevorzugt der Energiespeicher mit dem höchsten Potential im Akkumulator.In a second embodiment, the converter cell is designed as a galvanically isolated flyback converter or flyback converter which extracts energy from the first energy store and transfers it to the second energy store. This embodiment can be used anywhere in the accumulator with only slight respective technical adaptations-that is, for example, on identical circuit carriers-and thus most flexibly with regard to the absolute position of the first and second energy stores involved and with respect to the definition of the reference potential. Due to the galvanic isolation, the energy can also be transferred between two electrically non-adjacent energy stores. In such an embodiment, the first energy store is preferably the energy store with the lowest potential in the rechargeable battery and the second energy store preferably the energy store with the highest potential in the rechargeable battery. In an alternative second embodiment, the second energy store is preferably the energy store with the lowest potential in the rechargeable battery and the first energy store preferably the energy store with the highest potential in the rechargeable battery.
In einer alternativen zweiten Ausführungsform ist die Wandlerzelle durch einen Flyback-Wandler gebildet, der dem zweiten Energiespeicher Energie entnimmt und in den ersten Energiespeicher transferiert.In an alternative second embodiment, the converter cell is formed by a flyback converter, which takes energy from the second energy store and transfers it to the first energy store.
Die Steuerschaltung steuert den Wandler dabei bevorzugt mit einer Pulsweitenmodulation an. Diese Maßnahme resultiert in einem einfachen Aufbau der Steuerschaltung.The control circuit preferably controls the converter with a pulse width modulation. This measure results in a simple structure of the control circuit.
Die Steuerschaltung kann dabei analog oder digital aufgebaut sein.The control circuit can be constructed analog or digital.
Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Angleichen des Ladezustandes von seriell verschalteten Energiespeichern, welches von einer Steuerschaltung mit den obigen Merkmalen ausgeführt wird. Das Verfahren bewirkt, dass die Wandlerzelle dann eingeschaltet wird, wenn die Differenz der beiden von der Steuerschaltung gemessenen Energiespeicherspannungen des ersten und des zweiten Energiespeichers einen vorbestimmten ersten Wert überschreitet. Die Wandlerzelle wird dabei bevorzugt dann ausgeschaltet, wenn die Differenz der beiden von der Steuerschaltung gemessenen Energiespeicherspannungen einen vorbestimmten zweiten Wert unterschreitet.The object is achieved with respect to the method according to the invention with a method for equalizing the state of charge of serially interconnected energy storage, which is performed by a control circuit having the above features. The method has the effect that the converter cell is switched on when the difference between the two energy storage voltages of the first and the second energy store measured by the control circuit exceeds a predetermined first value. The converter cell is preferably turned off when the difference between the two measured by the control circuit energy storage voltages falls below a predetermined second value.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Wandlerzelle dann eingeschaltet, wenn die Spannung des ersten Energiespeichers einen ersten Wert überschreitet, und dann wieder ausgeschaltet, wenn die Spannung des ersten Energiespeichers einen zweiten Wert unterschreitet.In an alternative embodiment, the converter cell is switched on when the voltage of the first energy store exceeds a first value and then switched off again when the voltage of the first energy store falls below a second value.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Angleichen des Ladezustandes von seriell verschalteten Energiespeichern ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.Further advantageous developments and refinements of the circuit arrangement according to the invention and of the method according to the invention for equalizing the state of charge of serially connected energy stores result from further dependent claims and from the following description.
Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)Short description of the drawing (s)
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments and with reference to the drawings, in which the same or functionally identical elements are provided with identical reference numerals. Showing:
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Im Folgenden wird nun der interne Aufbau des Leistungsteils einer Wandlerzelle beschrieben. Jede Wandlerzelle W (W1, W2 ... Wx) weist eine Serienschaltung eines Schalters S (S1, S2 ... Sx) und der Primärwicklung eines Transformators TR (TR1, TR2, ... TRx) auf, die an den Eingang der Wandlerzelle gekoppelt ist. Dabei ist ein Anschluss der Primärwicklung des Transformators TR mit dem positiven Potential des Eingangs gekoppelt, und ein Anschluss des Schalters S ist mit dem negativen Potential des Eingangs gekoppelt. Jede Wandlerzelle weist eine Serienschaltung einer Diode D (D1, D2, ... Dx) und der Sekundärwicklung des Transformators TR auf, die an den Ausgang der Wandlerzelle gekoppelt ist. Dabei ist ein Anschluss der Sekundärwicklung mit dem positiven Potential des Energiespeichers an selbigem Ausgang gekoppelt, und die Anode der Diode D ist mit dem negativen Potential des Energiespeichers an selbigem Ausgang gekoppelt. The internal structure of the power section of a converter cell will now be described below. Each converter cell W (W1, W2 ... Wx) has a series circuit of a switch S (S1, S2 ... Sx) and the primary winding of a transformer TR (TR1, TR2, ... TRx), which are connected to the input of the Transducer cell is coupled. In this case, a terminal of the primary winding of the transformer TR is coupled to the positive potential of the input, and a terminal of the switch S is coupled to the negative potential of the input. Each converter cell has a series connection of a diode D (D1, D2, ... Dx) and the secondary winding of the transformer TR, which is coupled to the output of the converter cell. In this case, a terminal of the secondary winding is coupled to the positive potential of the energy store at selbigem output, and the anode of the diode D is coupled to the negative potential of the energy storage at selbigem output.
Vorzugsweise hat der Transformator TR dabei ein symmetrisches Windungsverhältnis, so dass die Anzahl der Windungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung gleich ist. Da die erforderliche Spannungsfestigkeit zwischen diesen zwei Wicklungen nur der doppelten (mit eingerechneten Überschwingern der geschalteten Spannungen durch S1 und D1 ca. der vierfachen) Akkuzellenspannung entspricht, ist der Transformator TR in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bifilar ausgebildet, d.h. zwei identische, isolierte, zuvor farblich gekennzeichnete Drähte oder Leitungen werden parallel gelegt oder sogar verdrillt und in dieser Form miteinander und gleichzeitig auf den für den Transformator vorgesehenen Wickelkörper aufgebracht. Die in den Figuren jeweils mit Punkt gekennzeichneten Enden des Transformators TR liegen bei dieser bifilaren Ausführung des Bauteils direkt nebeneinander.Preferably, the transformer TR has a symmetrical turns ratio, so that the number of turns of the primary winding and the secondary winding is the same. Since the required withstand voltage between these two windings is only twice (with approximately 400 times the charged voltages of S1 and D1 switched over) battery voltage, in a particularly advantageous embodiment the transformer TR is bifilar, i. Two identical, insulated, previously color-coded wires or lines are laid parallel or even twisted and applied in this form each other and simultaneously on the winding body provided for the transformer. The ends of the transformer TR marked in each case in the figures lie directly next to each other in this bifilar version of the component.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Anschluss des Schalters S und dem negativen Potential des Eingangs noch ein Strommesswiderstand RShunt geschaltet (nicht gezeigt). In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Strommesswiderstand RShunt durch den inneren Serienwiderstand des Schalters S gebildet sein. Der Schalter S ist bevorzugt ein Transistor. Als Transistor kann ein Feldeffekttransistor, beispielsweise ein MOSFET, oder ein Bipolartransistor verwendet werden, je nach der eingesetzten Chemie der Energiespeicher Bx. Ein Bipolartransistor wird z.B. dann obligat, wenn die Zellenspannung eines einzelnen Energiespeichers nicht mehr ausreicht, das Gate eines MOS-FETs zu treiben. Dies ist z.B. bei NiCd- oder NiMH-Zellchemien der Fall. In a further embodiment, a current measuring resistor R shunt is connected between the connection of the switch S and the negative potential of the input (not shown). In a preferred embodiment, the current measuring resistor R shunt may be formed by the internal series resistance of the switch S. The switch S is preferably a transistor. As a transistor, a field effect transistor, such as a MOSFET, or a bipolar transistor can be used, depending on the chemistry of the energy storage Bx. A bipolar transistor becomes mandatory, for example, when the cell voltage of a single energy store is no longer sufficient to drive the gate of a MOS-FET. This is the case, for example, with NiCd or NiMH cell chemistries.
Jede Wandlerzelle weist eine Steuerschaltung Ctl auf, die die Spannung des ersten Energiespeichers z.B. B1 mit der Spannung des zweiten Energiespeichers z.B. B2 vergleicht und die Wandlerzelle z.B. W1 einschaltet, wenn der erste Energiespeicher z.B. B1 eine höhere Spannung aufweist als der zweite Energiespeicher z.B. B2. Die Wandlerzelle W1 entlädt dann den ersten Energiespeicher B1 und lädt mit dieser Energie den zweiten Energiespeicher B2 auf. Each converter cell has a control circuit Ctl which determines the voltage of the first energy store, e.g. B1 with the voltage of the second energy storage e.g. B2 compares and the converter cell e.g. W1 turns on when the first energy storage, e.g. B1 has a higher voltage than the second energy store, e.g. B2. The converter cell W1 then discharges the first energy store B1 and charges the second energy store B2 with this energy.
Im Folgenden wird nun eine erste Ausführungsform der Steuerschaltung Ctl beschrieben. Dazu weist die Steuerschaltung Ctl einen Spannungsteiler aus zwei Widerständen R1 und R2 (R21, R31 ... Rx1 und R22, R32 ... Rx2) auf, der mit dem Pluspol des ersten Energiespeichers B1 und mit dem Minuspol des zweiten Energiespeichers B2 verbunden ist. Der Mittelpunkt des Spannungsteilers ist auf den ersten Eingang einer Vergleicherschaltung, in diesem Ausführungsbeispiel ein Schmitt-Trigger, geführt. Der zweite Eingang der Vergleicherschaltung ist mit dem Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Energiespeichers verbunden. Mit dieser Anordnung wird eine Unsymmetrie zwischen den beiden Energiespeicherspannungen detektiert. Ist die Spannung des ersten Energiespeichers B1 um einen vorbestimmten Wert größer als die Spannung des zweiten Energiespeichers B2, so ist der Ausgang der Vergleicherschaltung auf high, beziehungsweise logisch 1. Dieser Ausgang ist mit dem Schalteingang enable einer Ansteuerschaltung PWM für den Schalter S, hier dem ersten Schalter S1, verbunden. Dieser Schalteingang kann die Ansteuerung bzw. Taktung des Transistors S generell ein- und ausschalten. Bevorzugt ist die Ansteuerschaltung PWM eine Pulsweitenmodulationsschaltung, die die Schalter mit einer Pulsweitenmodulation ansteuert, solange die Zellenspannungen differieren. Die Schalter sind dabei bevorzugt Transistoren, besonders bevorzugt MOSFETs. In der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird der Kanalwiderstand des MOSFETs im Ein-Zustand RDSon als Shunt bzw. Strommesswiderstand für die Strommessung im Primärkreis der Wandlerzelle benutzt. Nachdem der RDSon der verwendeten Silizium-MOSFETs eine signifikante Temperaturabhängigkeit aufweist, besitzt die Steuerschaltung Ctl eine Temperaturkompensation, die diesen Effekt weitestgehend eliminiert. Anderenfalls führt derselbe Effekt zu einer Rückregelung der übertragenen Leistung in der Wandlerzelle bei Erwärmung derselben, was ebenso wünschenswert ist, da es sich hierbei um eine inhärente Übertemperaturrückregelung (= Selbstschutzfunktion) handelt.A first embodiment of the control circuit Ctl will now be described below. For this purpose, the control circuit Ctl a voltage divider of two resistors R1 and R2 (R21, R31 ... Rx1 and R22, R32 ... Rx2), which is connected to the positive pole of the first energy storage B1 and the negative pole of the second energy storage B2 , The mid-point of the voltage divider is connected to the first input of a comparator circuit, in this embodiment a Schmitt trigger. The second input of the comparator circuit is connected to the connection point of the first and the second energy store. With this arrangement, an asymmetry between the two energy storage voltages is detected. If the voltage of the first energy storage device B1 is greater than the voltage of the second energy store B2 by a predetermined value, then the output of the comparator circuit is high or
Für die Ansteuerung des Schalters beziehungsweise Transistors S weist die Ansteuerschaltung PWM einen Ansteuerausgang Out auf. Für die Strommessung weist die Steuerschaltung PWM einen Messeingang Sense auf.For the activation of the switch or transistor S, the drive circuit PWM has a drive output Out. For the current measurement, the control circuit PWM has a measuring input sense.
Erfindungsgemäß sind nun n – 1 Wandlerzellen mit n Energiespeichern derart verschaltet, dass der Eingang der ersten Wandlerzelle W1 parallel zum ersten Energiespeicher B1 ist, der Ausgang der ersten Wandlerzelle W1 parallel zum zweiten Energiespeicher B2 und parallel zum Eingang einer zweiten Wandlerzelle W2. Der Ausgang der zweiten Wandlerzelle W2 ist parallel zum einem dritten Energiespeicher B3 und parallel zum Eingang einer dritten Wandlerzelle W3 usw. Der Ausgang der n – 1-ten Wandlerzelle W(n – 1) ist dann parallel zum n-ten Energiespeicher Bn geschaltet, der bevorzugt mit höherer Kapazität ausgeführt ist. Dies deswegen, weil jeglicher Umladevorgang zwischen den Energiespeichern immer von ‚oben’ nach ‚unten’ geschieht, also vom ersten Energiespeicher B1 zum zweiten Energiespeicher B2, vom zweiten Energiespeicher B2 zum dritten Energiespeicher B3 usw., bis die Ladung im n-ten, dem ‚untersten’ Energiespeicher Bn ankommt, der damit etwas weiter aufgeladen wird als die restlichen Energiespeicher. Der unterste Energiespeicher Bn ist daher vorzugsweise mit gegenüber den anderen Energiespeichern erhöhter Kapazität ausgeführt.According to the invention, n-1 converter cells with n energy stores are connected in such a way that the input of the first converter cell W1 is parallel to the first energy store B1, the output of the first converter cell W1 is parallel to the second energy store B2 and parallel to the input of a second converter cell W2. The output of the second converter cell W2 is connected in parallel to a third energy store B3 and parallel to the input of a third converter cell W3, etc. The output of the nth-th converter cell W (n-1) is then connected in parallel to the nth energy store Bn, which is preferably designed with higher capacity. This is because any transshipment between the energy stores always from 'above' to 'down' happens, ie from the first energy storage B1 to the second energy storage B2, the second energy storage B2 to the third energy storage B3, etc., until the charge in the nth, the 'Lowest' energy storage Bn arrives, which is slightly more charged than the remaining energy storage. The lowest energy storage Bn is therefore preferably designed with respect to the other energy storage increased capacity.
Dieser kann dann z.B. als Quelle für eine Hilfsspannung dienen, damit er nicht mit der Zeit überladen wird. Um eine Überladung zu vermeiden, wird in einer zweiten Ausführungsform, die in
Im Unterschied zu den drei darüberliegenden Wandlerzellen mit ihren dazugehörigen Steuerschaltungen Ctl weist die Schaltung CD eine vereinfachte Steuerung auf: Der Meßspannungsteiler aus R41 und R42 erstreckt sich nur über die Spannung eines Energiespeichers, hier B4, und erzeugt somit an seinem Mittelpunkt, der mit dem Pluseingang des Schmitt-Triggers verbunden ist, ein Potential oberhalb des Minuspols des untersten Energiespeichers. Dieser scheinbare Nachteil ermöglicht es aber, aus derselben Spannung des untersten Energiespeichers mittels R44 und der Zenerdiode Vref eine feste Referenz zu bilden, die mit dem Minuseingang des Schmitt-Triggers verbunden ist, und mit der somit die Messung aus R41 und R42 verglichen wird. Schaltet der Ausgang des Schmitt-Triggers Rv auf high bzw. Logisch 1 und damit Q4 ein, wird der Strom durch den Lastwiderstand R43 in Q4 durch den Emitterwiderstand R48 begrenzt. In contrast to the three overlying converter cells with their associated control circuits Ctl, the circuit CD has a simplified control: The Meßspannungssteiler from R41 and R42 extends only over the voltage of an energy storage, here B4, and thus generates at its center, which with the Pluseingang the Schmitt trigger is connected, a potential above the negative pole of the lowest energy storage. This apparent disadvantage, however, makes it possible to form a fixed reference from the same voltage of the lowermost energy store by means of R44 and the Zener diode Vref, which is connected to the minus input of the Schmitt trigger, and with which the measurement from R41 and R42 is thus compared. If the output of the Schmitt trigger Rv switches to high or
Alle anderen Wandlerzellen W1 bis W(n – 1) können einfacher aufgebaut sein, da an ihnen als Maximalspannung lediglich die Spannung zweier Energiespeicher anliegt. Es findet also eine Umschichtung der Ladung statt, die vom ersten Energiespeicher B1 sukzessive bis zum letzten Energiespeicher Bn geschoben wird, um von dort dann wieder zum ersten Energiespeicher B1 transferiert zu werden. Die Ladung wird also reihum verschoben, und zwar so lange, bis alle Energiespeicher gleiches Ladungsniveau aufweisen. Durch das Prinzip, dass die Ladung immer nur vom ‚höheren’ zum ‚niedrigeren’ Energiespeicher verschoben wird, können die Wandlerzellen sehr einfach, kompakt und kostengünstig realisiert werden. Eine zentrale Steuerung wird nicht benötigt, die einfachen Steuerungen der Wandler betrachten lediglich die Zellenspannungen zweier seriell geschalteter Energiespeicher und vergleichen diese miteinander. Durch die überlappende Verschaltung der einzelnen Wandlerzellen kommt die Schaltungsanordnung ohne zentrale Steuerung aus. Dieses Prinzip ist sehr flexibel, da immer gleiche Wandlerzellen produziert werden können, und damit praktisch sämtliche Akkumulatorgrößen ungeachtet der Gesamtakkumulatorspannung mit Ladungsausgleich versehen werden können. Dazu ist lediglich pro Akkumulatorzelle eine Wandlerzelle notwendig. Lediglich die unterste Wandlerzelle muss in ihrer Spannungsfestigkeit an die Gesamtakkumulatorspannung angepasst sein. Eine ausführliche Beschreibung der zum Spannungsvergleich zwischen unterster und oberster Zelle eingesetzten Optokoppler-Messschaltung befindet sich weiter unten in Zusammenhang mit
Obwohl es dadurch so aussieht, als ob das Meßergebnis neben dem Vergleich der Zellenspannungen der Energiespeicher B1 und B2 auch von der Absolutspannung des Energiespeichers B1 abhängt, zeigt die folgende kurze Berechnung, dass die Absolutspannungen keinerlei Auswirkung auf das Ergebnis der Vergleichsmessung haben. Der Operationsverstärker U3 dient zur Erkennung, wann und um wieviel der Energiespeicher B1 eine höhere Spannung (die ja ein Maß für den Ladezustand des Energiespeichers ist) als der Energiespeicher B2 aufweist. U3 stellt den vergleichenden Eingangsmessverstärker dar und wird als einziger im linearen Bereich betrieben, was an der proportionalen, also ohmschen Rückkopplung seines Ausgangs über den Widerstand R3 auf seinen hochohmig beschalteten negativen Eingang, also an seiner Gegenkopplung zu erkennen ist. Although it thus appears that the measurement result depends not only on the comparison of the cell voltages of the energy stores B1 and B2 but also on the absolute voltage of the energy store B1, the following brief calculation shows that the absolute voltages have no effect on the result of the comparison measurement. The operational amplifier U3 is used to detect when and by how much the energy store B1 has a higher voltage (which is a measure of the state of charge of the energy store) than the energy store B2. U3 represents the comparative input measuring amplifier and is the only one operated in the linear range, which can be recognized by the proportional, ie ohmic feedback of its output via the resistor R3 to its high-impedance connected negative input, ie at its negative feedback.
Die zum Nachweis einer echten Vergleichsmessung nötige Fragestellung lautet: Kippt der nicht gegengekoppelte Messverstärker U3, wenn die Spannungen Vb1 und Vb2 der beiden beteiligten Energiespeicher B1 und B2 zwar untereinander gleich bleiben, sich jedoch in ihren Absolutwerten verändern? Dazu müssen die Spannungen Vp und Vn (jeweils gemessen gegenüber BP) am positiven bzw. negativen Eingang des Messverstärkers U3 betrachtet werden: Sie müssen immer gleich bleiben, damit U3 nicht kippt, also damit sein Messergebnis unabhängig von den Absolutspannungen bleibt:
Das Referenzpotential Vp berechnet sich zu
Damit die Ruheströme durch die beiden am Verstärker U3 angeschlossenen Spannungsteiler gleich sind, womit für die Gleichheit zwischen Vp und Vn optimale Startbedingungen bereitgestellt werden, gilt:
Oben angesprochene Kompensation durch den Widerstand R2, der hochohmiger als R1 gewählt werden muss, lässt sich damit allgemeingültig quantifizieren:
Somit lautet die Gleichung für die Messeingangsspannung Vn:
Bei einer dieser Berechnung entsprechenden Dimensionierung der Widerstände R1, R2, R4 und R6 bleiben die Messverstärker-Eingangsspannungen Vp und Vn relativ zueinander immer gleich, solange die Zellspannungen Vb1 und Vb2 relativ zueinander gleich bleiben. Dies gilt sogar ohne die Rückkopplung der Ausgangsspannung V2 (gemessen ggü. BP) des Messverstärkers U3 durch den Widerstand R3 auf seinen negativen Eingang, also ohne Gegenkopplung.In a dimensioning of the resistors R1, R2, R4 and R6 corresponding to this calculation, the measuring amplifier input voltages Vp and Vn always remain the same relative to one another as long as the cell voltages Vb1 and Vb2 remain the same relative to one another. This is true even without the feedback of the output voltage V2 (measured against BP) of the measuring amplifier U3 through the resistor R3 to its negative input, ie without negative feedback.
Dank dieser Gegenkopplung kann der Messverstärker U3 durch seine Ausgangsspannung V2 seine eine Eingangsspannung Vn derart beeinflussen, dass sie immer gleich Vp ist, auch und gerade dann, wenn Vb1 ungleich Vb2 ist. Dadurch ist die Höhe von V2 nur noch durch die Eingangsgrößen Vb1 und Vb2, durch die Dimensionierung der beteiligten Widerstände R3, R4 und R6 sowie durch die davon abhängige Dimensionierung der Widerstände R1 und R2 bestimmt, und (fast gar) nicht mehr durch die Eigenschaften des Messverstärkers U3 selbst: Prinzip des gegengekoppelten Operationsverstärkers.Thanks to this negative feedback, the measuring amplifier U3 can influence its one input voltage Vn by its output voltage V2 so that it is always equal to Vp, even and especially when Vb1 is not equal to Vb2. As a result, the height of V2 is determined only by the input variables Vb1 and Vb2, by the dimensioning of the resistors R3, R4 and R6 involved and by the dimensioning of the resistors R1 and R2 which depends thereon, and (almost) not by the properties of the resistor Measuring amplifier U3 itself: principle of the feedback operational amplifier.
Das Referenzpotential für die gesamte Steuerung ist, wie oben schon erwähnt, gegeben durch die Spannung Vp gemessen ggü. BP:
Dank Gegenkopplung gilt außer bei hochdynamischen Einschwingvorgängen in sehr guter Näherung:
Da vor den Start eines Umladevorgangs, wie aus weiter unten noch genauer beschriebener
Werden diese drei Ströme durch ihre sie bestimmenden Spannungen (mit Vn = Vp) und Widerstände (mit R1 = R4) ausgedrückt, lautet obige Gleichung wie folgt:
Die vorletzte Gleichung mit Vp und Vb1 hier in die zweiten und dritten Summanden eingesetzt, ergibt
Mit der Bedingung, dass R2 = 2R6 + R4 gilt, läßt sich der Faktor bei Vb1 stark vereinfachen, und es ergibt sich
Der vergleichende Messverstärker U3 addiert also an seinem Ausgang die Referenzspannung Vp an seinem positiven Eingang mit einer weiteren Spannung, die nur von der Differenz der beiden beteiligten Zellenspannungen und vom Widerstandsverhältnis R3/R2 abhängig ist. Der Messverstärker U3 arbeitet, wie dank seiner Gegenkopplung zu erwarten, bzgl. seiner Versorgungsspannung Vb1 invertierend, was an dem negativen Term in obigem Ergebnis für V2 sichtbar wird.The comparative measuring amplifier U3 adds at its output the reference voltage Vp at its positive input with a further voltage, which depends only on the difference between the two cell voltages involved and the resistance ratio R3 / R2. As expected due to its negative feedback, the measuring amplifier U3 operates inversely with regard to its supply voltage Vb1, which is visible at the negative term in the above result for V2.
Die Operationsverstärker U1 und U2 arbeiten im Gegensatz dazu als Komparatoren. Der Operationsverstärker U1 dient zur Strombegrenzung der Wandlerzelle, indem er den Kanalwiderstand der Drain-Source-Strecke des Transistors S1 als Shunt zur Strommessung verwendet und den Transistor bei einem vorbestimmten Strom abschaltet. Der Spannungsteiler aus R11 und R12 bildet die Referenzspannung Voff für den Strommesswert, bei deren Überschreitung U1 auf logisch 0 schaltet: Somit kann U1 auch als Strommesskomparator bezeichnet werden. U2 koppelt die Signale der beiden Operationsverstärker U1 und U3 so zusammen, dass eine funktionsfähige Pulsweitenmodulationsansteuerung für die Wandlerschaltung entsteht. The operational amplifiers U1 and U2, in contrast, operate as comparators. The operational amplifier U1 serves to current-limit the converter cell by using the channel resistance of the drain-source path of the transistor S1 as a shunt for current measurement and turns off the transistor at a predetermined current. The voltage divider of R11 and R12 forms the reference voltage Voff for the current measured value, when exceeded, U1 switches to logic 0: Thus, U1 can also be referred to as current measuring comparator. U2 combines the signals of the two operational amplifiers U1 and U3 in such a way that a functional pulse width modulation control for the converter circuit is produced.
Der Widerstand R5 erzeugt eine Mitkopplung, da er analog zu
Solange also kein Spannungsunterschied zwischen den beiden Energiespeichern besteht, oder sogar Vb2 größer als Vb1 ist, ist die Spannung V2 größer als das Referenzpotential Vp oder ihm gleich, und der Komparator U2 ist ausgeschaltet. Das Gate des Transistors S1 liegt somit auf Bezugspotential BP. Dieses ist hier das Potential zwischen den Energiespeichern B1 und B2, auf dem auch der Source-Anschluss des Transistors S1 liegt. Bei ausgeschaltetem Transistor S1 ist der Komparator U1 ebenfalls ausgeschaltet, da dessen negativer Eingang über R10 und der Primärwicklung des Transformators TR1 auf dem positiven Potential des Energiespeichers B1 liegt. Damit ergibt sich die Spannung V1 über den Spannungsteiler aus der Parallelschaltung der Widerstände R8 und R9 und dem Widerstand R7, die durch entsprechende Einstellung der drei beteiligten Widerstände R7 ... R9 und bei ruhender Wandlerzelle, also am linken Rand der
Durch das Einschalten des Transistors S1 steigt der Strom durch ihn an, und das Potential VS am negativen Eingang des Strommesskomparators U1 steigt, bedingt durch den Bahnwiderstand des Transistors S1 und die Übertragung der an ihm abfallenden Spannung durch den Messwiderstand R10, an. Wegen der annähernden Stromlosigkeit ist die Spannung über R10 während dieses Messvorgangs annähernd null und somit der Parallelkondensator C10 wirkungslos. Sobald VS größer wird als die Referenzspannung Voff am positiven Eingang des Komparators U1, definiert durch die Widerstände R11 und R12, schaltet U1 wieder ab. Damit sinkt die Spannung V1 schlagartig wieder auf die Startschwelle Vu ab, womit der Komparator U2 und mit ihm der Transistor S1 wieder ausgeschaltet werden sollen.By turning on the transistor S1, the current through it increases, and the potential VS at the negative input of the current measuring comparator U1 rises, due to the track resistance of the transistor S1 and the transmission of the voltage drop across it by the measuring resistor R10. Due to the approximate lack of current, the voltage across R10 during this measurement process is almost zero and thus the parallel capacitor C10 ineffective. As soon as VS becomes greater than the reference voltage Voff at the positive input of the comparator U1, defined by the resistors R11 and R12, U1 switches off again. Thus, the voltage V1 abruptly decreases again to the start threshold Vu, whereby the comparator U2 and with it the transistor S1 should be turned off again.
Damit dieser eben beschriebene erste Ausschaltbefehl, der vom Strommesskomparator U1 ausgelöst wird, sicher ans Gate des Transistors S1 durchgegeben wird, muss die Spannung V2 ein wenig über die Startschwelle gehoben werden, solange die betrachtete Wandlerzelle durch PWM getaktet wird. Denn der Minimalwert von V1 entspricht der Startschwelle, und wenn V2 wie beim initialen Einschalten auf diesem Potential oder sogar etwas darunter verweilen würde, könnte S1 theoretisch nie mehr ausgeschaltet werden, was zur Zerstörung der Wandlerzelle führen würde. Dieses Problem wird durch die Mitkopplung des gemittelten Gatesignals gelöst. Es handelt sich dabei um dieselbe Mitkopplung, die den weiter oben beschriebenen Spannungseinbruch und -anstieg von unter Entladung bzw. Aufladung stehender Energiespeicher kompensiert.For this just-described first switch-off command, which is triggered by the current measuring comparator U1, to be safely passed to the gate of the transistor S1, the voltage V2 has to be raised a little above the start threshold, as long as the considered converter cell is clocked by PWM. For the minimum value of V1 corresponds to the start threshold, and if V2 would remain at this potential or even somewhat below it at the initial switch-on, S1 could theoretically never be switched off, which would destroy the converter cell. This problem is solved by the positive feedback of the averaged gate signal. This is the same positive feedback, which compensates for the above-described voltage dip and rise of under discharging or charging energy storage.
R5 und C1 bilden einen Tiefpaß, der ohne Belastung durch R6 am Knoten zwischen R5 und C1 nach der charakteristischen Zeitkonstante abhängig vom Puls-Pausen-Verhältnis der am Ausgang von U2 herauskommenden PWM in etwa die halbe Gatespannung entstehen lässt. Besagte charakteristische Zeitkonstante bewirkt die oben erwähnte Zwischenspeicherung der Mitkopplung für sehr kurze Zeit und ist definiert durch die Kapazität von C1 und den Widerstand der Parallelschaltung der drei Widerstände R4 ... R6. Diese in etwa halbe Gatespannung wird dem Referenzpotential Vp des vergleichenden Eingangsmessverstärkers U3 zumindest teilweise überlagert, wodurch sich dessen Ausgangsspannung V2 entsprechend erhöht, solange die betrachtete Wandlerzelle getaktet wird. Die charakteristische Zeitkonstante muss kurz genug sein, so dass die Messverstärker-Ausgangsspannung V2 bereits nach der ersten PWM-Halbperiode von etwa 10µs ausreichend oberhalb der Startschwelle Vu herauskommt, damit zu diesem Zeitpunkt U2 sicher wieder abschaltet. Daraus folgt, dass die charakteristische Zeitkonstante recht kurz und somit die Filterwirkung besagten Tiefpasses recht schwach ist: Daraus resultiert der gezackte Verlauf der Spannungen V2 und Vp in
Nach dem Abschalten des Transistors S1 schwingt das Potential VS nach oben auf einen Wert von etwa Vb1 + Vb2 über BP und lässt damit den Komparator U1 ausgeschaltet: Wieder liegt die Mitkopplung einer Schaltentscheidung durch den Effekt der Schaltaktion selbst vor, die im folgenden als PWM-Mitkopplung bezeichnet wird. Der Transformator Tr1 ist umgeschwungen, die Diode D1 wird leitend, um den Transformator zu entmagnetisieren. In dieser Phase wird die in der Hauptinduktivität des Transformators Tr1 zwischengespeicherte Energie, die aus dem Energiespeicher B1 stammt, an den Energiespeicher B2 wieder abgegeben. Daran ist zu erkennen, dass der Transformator Tr1 gegen Sättigung geschützt sein muss, vorzugsweise durch einen Luftspalt in seiner magnetischen Wegstrecke. Ferner werden in dieser Phase die Klemmdiode D10 und mit ihr die Messelemente R10 und C10 aktiv. Fehlten die drei letztgenannten Elemente, würde der Minuseingang des Strommesskomparators über dessen Versorgunsspannung gezogen und damit zerstört werden. Mit der Anordnung aus
Nach erfolgter Abmagnetisierung des Transformators Tr1 schaltet die Gleichrichterdiode D1 der Wandlerzelle wieder aus. Zu diesem Zeitpunkt ist der Transformator Tr1 zwar stromlos, steht aber unter Spannung. Gleichzeitig ist die parasitäre D1-Parallelkapazität bzw. Diodenkapazität vollständig entladen und die parasitäre S1-Parallelkapazität bzw. Transistorkapazität in etwa auf die doppelte Zellenspannung aufgeladen. Aus allem folgt, dass durch diese drei letztgenannten Komponenten ein parasitärer Rückschwingstrom entsteht, dessen Richtung gegenläufig zum zuletzt durch D1 geflossenen Abmagnetisierungsstrom ist. Dadurch wird die parasitäre Diodenkapazität aufgeladen und die parasitäre Transistorkapazität entladen. Nach einer viertel Periode dieser parasitären Rückschwingung hat der Rückschwingstrom ein relatives Maximum erreicht, und sowohl Dioden- als auch Transistorkapazität sind auf Spannungen entsprechend der zugehörigen Zellen ge- bzw. entladen. Wegen dieses Strommaximums in der Hauptinduktivität des Transformators Tr1 schließt sich eine weitere Viertelperiode der parasitären Schwingung an, in der der Rückschwingstrom zwar weiterfliesst, aber wieder abgebaut wird, weil die Transistorkapazität weiter entladen wird, also das Potential von VS unter Vb1 sinkt, und weil die Diodenkapazität über die Spannung Vb2 hinaus aufgeladen wird. Ist der Rückschwingstrom wieder zu null geworden, beträgt das Kathodenpotential der Diode D1 in etwa Vb1 über BP und damit die Sperrspannung über D1 in etwa das doppelte einer Zellenspannung. Dadurch ist auch die Spannung VS annähernd vollständig zu null geschwungen, und der Komparator U1 schaltet wieder ein, was zur Folge hat, dass der Komparator U2 und somit auch der Transistor S1 wieder einschaltet. Die Spannung V1 wird durch diese Schaltmimik eine Rechteckspannung, die zwischen seinem unteren Wert Vu, der Startschwelle, und seinem oberen Wert Vo, der Stoppschwelle, hin- und herspringt. Die Gatespannung VG des Transistors S1 springt zwischen null und Vb1 und folgt dabei zeitlich der Spannung V1. After demagnetization of the transformer Tr1, the rectifier diode D1 switches the Transducer cell off again. Although the transformer Tr1 is de-energized at this time, it is under voltage. At the same time, the parasitic D1 parallel capacitance or diode capacitance is completely discharged and the parasitic S1 parallel capacitance or transistor capacitance is charged approximately to twice the cell voltage. It follows from all that a parasitic return oscillation current is created by these three latter components, whose direction is opposite to the last by demagnetization current flowed by D1. This charges the parasitic diode capacitance and discharges the parasitic transistor capacitance. After a quarter period of this parasitic return oscillation, the backscatter current has reached a relative maximum, and both diode and transistor capacitances are charged or discharged to voltages corresponding to the associated cells. Because of this maximum current in the main inductance of the transformer Tr1 is followed by another quarter period of the parasitic oscillation, in which the return oscillation current indeed continues, but is degraded again, because the transistor capacity is further discharged, so the potential of VS drops below Vb1, and because the Diode capacity is charged beyond the voltage Vb2 addition. If the return oscillation current has become zero again, the cathode potential of the diode D1 is approximately Vb1 above BP and thus the blocking voltage across D1 is approximately twice a cell voltage. As a result, the voltage VS is almost completely curved to zero, and the comparator U1 turns on again, which has the consequence that the comparator U2 and thus also the transistor S1 turns on again. The voltage V1 is by this switching mimic a square-wave voltage that jumps back and forth between its lower value Vu, the start threshold, and its upper value Vo, the stop threshold. The gate voltage VG of the transistor S1 jumps between zero and Vb1 and follows in time the voltage V1.
Oben ist der Idealfall dieser parasitären Rückschwingung beschrieben. Durch Verluste insbesondere im Transformator kommt es häufig vor, dass nach Ablauf einer halben Periode dieser Rückschwingung das Potential VS nicht vollständig auf null bzw. unter Voff zurückgeschwungen ist. Damit der Strommesskomparator U1 dennoch wieder Tritt fassen und einschalten kann, ist der Parallelkondensator C10 vorgesehen: Zu Beginn der parasitären Rückschwingung war dieser auf etwa eine Zellenspannung aufgeladen und hält während der Rückschwingung diesen Potentialunterschied zwischen dem Knoten ‚VS’ und dem negativen Eingang des Komparators U1 zumindest teilweise aufrecht. Das bedeutet, dass besagter Eingang immer ein tieferes Potential aufweist als der Knoten VS. Damit kann U1 zurückkippen und wieder einschalten, auch wenn Vs nicht völlig auf null zurückschwingt. Die Dauer der halben Periode der Rückschwingung ist bekannt oder kann gemessen werden. Ebenso bekannt oder messbar ist das Minimum des Potentials von VS nach Abschalten von D1 und nach besagter halber Periode. Wenn Transistor T1 nicht bei Drain-Source-Spannung = null eingeschaltet werden kann, ist genau dieser Zeitpunkt zum Einschalten optimal. R10 ist so hochohmig dimensioniert, dass während der Leitphase von D1 ein Strom durch ihn fließt, dessen Größenordnung der der Ströme durch die Widerstände R1, R4, R7 und R11 entspricht. Nun ist C10 dermaßen zu dimensionieren, dass die sich aus C10 und R10 ergebende Zeitkonstante genau so lang ist, dass sich während besagter halber Periode die ursprüngliche Potentialdifferenz von etwa einer Zellenspannung höchstens auf den Wert entladen hat, der dem Welt des VS–Minimums über BP entspricht.The ideal case of this parasitic return oscillation is described above. Due to losses, in particular in the transformer, it frequently happens that, after one half period of this return oscillation has elapsed, the potential VS has not completely swung back to zero or below Voff. In order for the current measuring comparator U1 to be able to react and switch on again, the parallel capacitor C10 is provided: at the beginning of the parasitic return oscillation, it was charged to approximately one cell voltage and, during the return oscillation, holds this potential difference between the node, VS 'and the negative input of the comparator U1 at least partially upright. This means that said input always has a lower potential than the node VS. This will allow U1 to back down and turn on again, even if Vs does not return to zero. The duration of the half period of the return oscillation is known or can be measured. Equally known or measurable is the minimum of the potential of VS after switching off D1 and after said half period. If transistor T1 can not be turned on at drain-to-source voltage = zero, then exactly this point in time for turn-on is optimal. R10 is so high-impedance dimensioned that during the conduction phase of D1, a current flows through it, the magnitude of which corresponds to the currents through the resistors R1, R4, R7 and R11. Now, C10 is to be sized so that the time constant resulting from C10 and R10 is just long enough that during that half period the original potential difference of about one cell voltage has discharged at most to the value above the world of the VS minimum above BP equivalent.
Bei jedem Taktzyklus steigt die Spannung V2, bedingt durch das Umladen der Energiespeicher B1 und B2, ein wenig an. Dies ist am Verlauf von V2 in
Wird bei eingeschaltetem Transistor S1 die Spannung V2 größer als die Spannung V1, überschreitet V2 also besagte Stoppschwelle, so wird der Transistor S1 nicht mehr durch den Komparator U1 abgeschaltet, sondern durch den Komparator U2. Dies bestätigt dessen Rolle als zentraler Entscheider, ob überhaupt getaktet werden soll oder nicht. Durch diesen Rollentausch wird der Einschaltpuls des Transistors S1 kürzer, der Transformator TR1 wird weniger aufmagnetisiert und benötigt daher nach dem Ausschalten von S1 weniger Zeit zum Abmagnetisieren durch D1. Das PWM-Tastverhältnis bleibt daher in dieser Schlussphase einer Umladeaktion in etwa unverändert, die Schaltfrequenz in der Wandlerzelle erhöht sich aber deutlich. Dadurch steigt der oben bereits beschriebene Einfluss der Verluste, weshalb nach kurzer Zeit die ebendort beschriebene Zeitkonstante aus R10 und C10 nicht mehr ausreicht, um den Strommesskomparator U1 zum erneuten Einschalten und damit zum Fortsetzen seines PWM-Taktes zu bewegen: Die Wandlerzelle hört auf zu arbeiten.If the voltage V2 is greater than the voltage V1 when the transistor S1 is switched on, that is to say V2 exceeds said stop threshold, then the transistor S1 is no longer switched off by the comparator U1 but by the comparator U2. This confirms its role as the central decision maker, whether to clock at all or not. As a result of this roller replacement, the turn-on pulse of the transistor S1 becomes shorter, the transformer TR1 is less magnetized and therefore requires less time to be demagnetized by D1 after switching off S1. The PWM duty cycle therefore remains unchanged in this final phase of a Umladeaktion, the switching frequency in the converter cell but increases significantly. This increases the influence of the losses already described above, which is why after a short time the time constant of R10 and C10 described above is no longer sufficient to move the current measuring comparator U1 to restart and thus continue its PWM cycle: The converter cell stops working ,
Obwohl die Hystereseaufschaltung über dem aufgeladenen Kondensator C1 schnell abklingt, bleibt aufgrund der inzwischen umgekehrten Ladungsbilanz der beiden beteiligten Energiespeicher B1 und B2 die Spannung V2 nach einem letzten Taktpuls der Spannung V1 weit oberhalb des Referenzpotentials Vp und der Startschwelle Vu, ferner fehlt besagte PWM-Mitkopplung, weshalb die Wandlerzelle abgeschaltet bleibt.Although hysteresis over the charged capacitor C1 decays rapidly, it remains due to the meanwhile reversed charge balance of the two energy storage devices B1 and B2, the voltage V2 after a last clock pulse of the voltage V1 far above the reference potential Vp and the start threshold Vu, also said PWM positive feedback is missing, so the converter cell remains switched off.
Wird die Basis-Emitter-Spannung an T7 vernachlässigt, gilt in erster Näherung eine Potentialgleichheit zwischen dem Mittelknoten des R1-R2-Spannungsteilers und dem Bezugspotential Vp: Dies entspricht der über die Gegenkopplung erzwungenen Potentialgleichheit zwischen Vn und Vp an den Eingängen von U3 in
I4 ist der Strom von der zugehörigen Zellenspannung Vb1 durch den oberen Referenzwiderstand R4, und am Term „I7“ in obiger Gleichung ist zu erkennen, dass der Ausgangsstrom des Messverstärkers hier direkt auf die Referenzspannung gegenkoppelt. Daher ist in dieser voll-diskreten Ausführung aus
Dies in obige Gleichung für Vp eingesetzt und nach Vp aufgelöst ergibt
Bei Vernachlässigung des Basisstroms von T7 gilt für den Strom durch den gesamten Messspannungsteiler aus R1 und R2:
Beide rechten Seiten obiger Gleichungen für Vp zusammengesetzt ergeben
Anhand dieser nur an zwei üblichen und zulässigen Stellen vereinfachten Rechnung zeigt sich, dass das Ausgangssignal I7 des Eingangsmessverstärkertransistors T7 ausschließlich von der Differenz der beteiligten Zellenspannungen Vb1 und Vb2 abhängt, und dass der Wertebereich von I7 durch R6 skalierbar ist. Im Gegensatz zu U3 aus
Die Schaltung aus T1 ... T4 entspricht der mit diskreten Bipolartransistoren aufgebauten Eingangsstufe des Strommeßkomparators U1 aus
Durch Trimmen des unteren Ausschaltschwellenwiderstands R12 lässt sich die Ausschaltschwelle feinjustieren. Weil in der durch die Schottkydiode, R11 und R12 definierten Ruhelage der Wandlerzelle nur T1 leitend ist, liegt die Spannung des Knotens VK knapp unterhalb der Zellenspannung des Energiespeichers B1. Anstatt den Ausgang VK dieser Eingangsstufe wie in klassischen Komparatoren linear zu invertieren und zu verstärken, wird VK hier direkt an die dynamisch angesteuerte, invertierende Gegentaktstufe aus T5 und T6 geführt. Diese Schaltung, die insbesondere durch die beiden Basisserienkondensatoren C2 und C3 charakterisiert ist, hat erstens den Vorteil, dass es mangels einer direkten ohmschen Verbindung zwischen den Basen der beiden Transistoren T5 und T6 und wegen der Basisparallelwiderstände R15 und R16 keinen Querstrom gibt, der gleichzeitig durch T5 und T6 fliessen und hohe Verluste erzeugen würde, und dass sie im Grunde keine statische, nur während der Einschaltzeitdauern von S1 eine geringe statische Leistung aus dem Knoten VK heraus benötigt. Widerstand R13 stellt sicher, dass S1 in der Ruhelage der Wandlerzelle sicher ausgeschaltet ist. R9 sorgt dafür, dass bei symmetrischem Pulsmuster an VK das Gate von S1 langsamer geladen als entladen wird, was im Stand der Technik allgemein als vorteilhaft erachtet wird. Bleiben schließlich noch die Klemmschaltungen parallel zu R15 und R16, jeweils aus einer LED und einer Seriendiode bestehend, die durch die hauptsächlich dynamische Ansteuerung der Basen von T5 und T6 nötig werden zum Schutz derselben vor Überspannung bei jeweils nichtleitender Basis: Diese Zweige sind zugleich Indikatoren, ob die Zelle arbeitet, und wie. Arbeitet sie mit voller Leistung, leuchten beide LEDs, also rot und grün, befindet sich die Zelle in einer Endphase ähnlich wie oben bei
Steigt die Ladung des Energiespeichers B1 gegenüber dem Energiespeicher B2 und dementsprechend auch dessen Spannung Vb1 im Vergleich zu Vb2, so beginnt Transistor T7 wie oben berechnet zu leiten, und es fließt ein kleiner Strom I7 durch den Meßwiderstand R10, gegengekoppelt durch den Emitterwiderstand R6. Dieser Strom sorgt dafür, dass auch der Transistor T2 zu leiten beginnt. Dadurch fließt ein Strom in den Stromspiegel, der aus den Transistoren T3 und T4 besteht, wobei T4 den Eingang des Stromspiegels und T3 den Ausgang des Stromspiegels repräsentiert. Ein Referenzstrom für den Stromspiegel wird durch den Spannungsteiler R11, Voff, R12 erzeugt, fließt durch die Basis des Transistors T1 und hält ihn leitend. Die Widerstände R15 und R17 unterstützen die daraus resultierde Lage des Knotens VK knapp unterhalb der Zellenspannung des Energiespeichers B1 und erzeugen einen Gleichstromanteil auf der Ausgangsseite des Stromspiegels, der nur durch den von der Teilschaltung aus R1, R2, R4, T7, R6 und T2 bei erkannter und auszugleichender Ladungsdiskrepanz erzeugten, oben beschriebenen kleinen Gleichstrom I7 überwunden werden kann. Dieser fließt zunächst nur über R10, und erst bei ausreichendem Spannungsabfall dort – aufgrund eines ausreichenden Spannungsüberhangs von B1 ggü. B2 – wird der Differenzverstärkertransistor T2 des negativen Komparatoreingangs leitend. Sein Kollektor-, also Ausgangsstrom stellt den Eingangsstrom für den oben schon beschriebenen Stromspiegel aus T4 und T3 dar. Gleichzeitig fließen ab jetzt Basis- und Kollektorstrom von T2 zusätzlich durch R11, wodurch sich dessen Spannungsabfall erhöht und folglich sich der über R12 reduziert: Der Basisstrom durch T1, oben auch als Referenzstrom in Ruhelage bezeichnet, reduziert sich. Gleichzeitig entsteht am Kollektor von T3 der Stromspiegelausgangsstrom, der seinem Eingangsstrom zw. Kollektor von T2 und T4 entspricht, und belastet erstmals den Kollektor des Differenzverstärkertransistors T1 am positiven Eingang oder Referenzeingang des Komparators. Wird aufgrund einer weiteren Ladungs- und damit Spannungszunahme von B1 der Kollektorstrom von Transistor T2 größer, so wächst gespiegelt der Strom durch den Kollektor von T3. Wird nun dieser Strom größer als der aktuell schon leicht reduzierte Referenzstrom durch R12 multipliziert mit der Sättigungsstromverstärkung des Transistors T1, so beginnt T1 bei diesem Wert seines Kollektorstroms, Spannung abfallen zu lassen: VK beginnt, nach unten zu wandern. Ab diesem Zeitpunkt addiert sich zum Kollektorstrom von T1 der oben genannte Gleichstromanteil durch R15 und R17, die Summe aus beiden ist der Stromspiegel-Ausgangsstrom am Kollektor von T3, somit muss der gleiche – wiederum größer gewordene – Strom auch aus dem Kollektor von T2 herauskommen: Das Herunterziehen des Potentials von VK erfolgt linear mit der Ansteuerung des diskret aufgebauten Komparators über den Basisstrom von T2, der im wesentlichen vom schon berechneten I7 abhängt. Der letzte entscheidende Punkt wird erreicht, wenn der Spannungsabfall über R15 groß genug ist, so dass der obere Gatetreibertransistor T5 leitend wird. Bald darauf ist das Gate von S1 genug aufgeladen, so dass der Wandlerzellen-Leistungstransistor S1 durchschaltet: Das Potential von VS wird Richtung Bezugspotential BP gezogen, zum Messausgangsstrom I7 aus der Basis von T2 kommt plötzlich ein invertierter Strom durch R10 hinzu. Somit klappt der Stromspiegel vollends um, und der Punkt VK wird in Richtung des Bezugspotentials BP gezogen. Dadurch bleibt der Transistor T5 sicher leitfähig, und dieser wiederum lässt den MOSFET S1 eingeschaltet. If the charge of the energy store B1 increases relative to the energy store B2 and accordingly also its voltage Vb1 in comparison to Vb2, transistor T7 begins to conduct as calculated above, and a small current I7 flows through the measuring resistor R10, counter-coupled through the emitter resistor R6. This current ensures that the transistor T2 begins to conduct. As a result, a current flows in the current mirror, which consists of the transistors T3 and T4, where T4 represents the input of the current mirror and T3 represents the output of the current mirror. A reference current for the current mirror is generated by the voltage divider R11, Voff, R12, flows through the base of the transistor T1 and keeps it conductive. The resistors R15 and R17 support the resulting position of the node VK just below the cell voltage of the energy storage B1 and generate a DC component on the output side of the current mirror, which only by that of the sub-circuit of R1, R2, R4, T7, R6 and T2 at detected and compensated charge discrepancy generated, described above, small DC I7 can be overcome. This initially flows only via R10, and only when sufficient voltage drop there - due to a sufficient voltage overshoot of B1 compared. B2 - the differential amplifier transistor T2 of the negative comparator input becomes conductive. Its collector output current represents the input current for the T4 and T3 current mirror already described above. At the same time, the base and collector currents of T2 are now also flowing through R11, which increases its voltage drop and consequently reduces over R12: the base current T1, referred to above as reference current in rest position, is reduced. At the same time arises at the collector of T3, the current mirror output current corresponding to its input current between the collector of T2 and T4, and charged for the first time the collector of the differential amplifier transistor T1 at the positive input or reference input of the comparator. If, due to a further charge and thus voltage increase of B1, the collector current of transistor T2 increases, the current through the collector of T3 is mirrored. If this current is greater than the currently already slightly reduced reference current through R12 multiplied by the saturation current amplification of the transistor T1, T1 begins to drop voltage at this value of its collector current: VK begins to travel downwards. From this point on the collector current of T1 is added to the above DC component through R15 and R17, the sum of both is the current mirror output current at the collector of T3, thus the same - again larger - current must also be taken from the collector of T2 pull down: The pulling down of the potential of VK is linear with the control of the discretely constructed comparator via the base current of T2, which depends essentially on the already calculated I7. The last crucial point is reached when the voltage drop across R15 is large enough so that the upper gate drive transistor T5 becomes conductive. Soon thereafter, the gate of S1 is charged enough so that the converter cell power transistor S1 turns on: the potential of VS is pulled towards reference potential BP, to the measurement output current I7 from the base of T2 suddenly an inverted current through R10 is added. Thus, the current mirror completely turns around, and the point VK is pulled toward the reference potential BP. As a result, the transistor T5 remains reliably conductive, and this in turn leaves the MOSFET S1 turned on.
Ist der MOSFET S1 eingeschaltet, so fließt ein Strom über den Transformator TR1, der dadurch aufmagnetisiert wird. Der Punkt VS ist durch den eingeschalteten MOSFET S1 auf Bezugspotential BP gezogen, was zur Folge hat, dass über den Widerstand R10 ein Basisstrom aus dem Transistor T2 heraus zum Bezugspotential fließt und der Kollektorstrom des Transistors T2 somit hoch bleibt. Dadurch wird der Zustand des Stromspiegels gefestigt und der Punkt VK weiterhin auf Bezugspotential gehalten: Auch hier liegt, wie oben zu
Der steigende Strom erzeugt bedingt durch den Bahnwiderstand des Transistors S1 eine steigende Spannung am Punkt VS. Diese Spannung erzeugt über den Widerstand R10 einen sinkenden Basisstrom im Transistor T2, der dessen Kollektorstrom ebenso sinken lässt und damit das Potential des Punktes VK langsam ein wenig anhebt, da der Stromspiegel-Ausgangsstrom in den Kollektor des Transistors T3 hinein entsprechend abnimmt. Ab einer bestimmten Stromstärke durch den MOSFET S1 ist die Spannung im Punkt VS so hoch, dass der Basisstrom durch den Transistor T2 unter den Referenzbasisstrom des Transistors T1 fällt: Der Stromspiegel klappt wieder um und zieht den Punkt VK in Richtung des Pluspols des ersten Energiespeichers B1. Dadurch schaltet der Transistor T5 ab, und der Transistor T6 kurz ein, um die im Gate des MOSFET S1 gespeicherte Ladung auszuräumen. Der MOSFET S1 wird dadurch abgeschaltet, der Punkt VS wandert etwa eine Zellenspannung über den Pluspol des oberen Energiespeichers B1. Um eine Zerstörung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T2 sicher zu vermeiden, ist die Klemmdiode D10 vorhanden, die außer diesem Schutz auch hilft, den Parallelkondensator C10, der wie oben beschrieben mit R10 die Vorhaltszeitkonstante zum sicheren Weiterlaufen der PWM erzeugt, korrekt aufzuladen. Während dieser Zeit ist der Transformator TR1 umgeschwungen, und die Diode D1 ist leitend und entmagnetisiert den Transformator TR1. Nach Ausschalten der Diode D1 schwingt der Punkt VS aufgrund derselben wie zu
Die Wandlerzelle arbeitet nun und entlädt den ersten Energiespeicher B1 und lädt mit dieser Energie den zweiten Energiespeicher B2 auf. Dadurch sinkt die Spannung am ersten Energiespeicher B1, und gleichzeitig steigt die Spannung am zweiten Energiespeicher B2. Das Potential BP hebt sich gegenüber dem Potential der Basis des Transistors T7 langsam an, und der Basisstrom durch den Transistor T7 wird weniger und ebbt schließlich ganz ab: Damit wird auch sein Ausgangsstrom I7, der die Zelle aktiviert und während ihrer Arbeit den Gleichstrom-Offset in der Ansteuerschaltung durch R15 und R17 überwunden hat, zu null, wie oben berechnet. Dadurch reicht der Basisstrom in den Transistor T2 beim Zurückschwingen des Transformators TR1 nicht mehr aus, um den Stromspiegel zum Kippen zu bringen, und die Wandlerzelle schaltet sich wieder ab.The converter cell now operates and discharges the first energy store B1 and charges the second energy store B2 with this energy. As a result, the voltage at the first energy store B1 decreases, and at the same time the voltage at the second energy store B2 increases. The potential BP slowly rises from the potential of the base of the transistor T7, and the base current through the transistor T7 becomes less and eventually becomes quite ebbated: thus also its output current I7 activates the cell and during its work the DC offset in the drive circuit through R15 and R17, to zero, as calculated above. As a result, the base current in the transistor T2 when swinging back of the transformer TR1 is no longer sufficient to bring the current mirror to tilt, and the converter cell switches off again.
Bildlich gesprochen beinhaltet der untere Spannungsmesswiderstand R2 in der oben schon beschriebenen zweiten Ausführungsform nach
Diesem liegt erstens zugrunde, dass der Strom bei galvanisch verbundenem Spannungsteiler gemäß
Um die Abhängigkeit gemäß der oben beschriebenen Messrichtung darzustellen, muss die letzte Gleichung noch umgestellt werden:
Im Gegensatz zu den in Stromspiegeln üblichen Transistoren mit sehr hohen Stromverstärkungen liegt hier der Wert von ß für beide Optokoppler gleichermaßen ungefähr bei 1. Daher lohnt es sich, die Funktion fM(ß) der Messverstärkung I1/I2 genauer zu betrachten:
Für sehr kleine Werte von ß entspricht der Graph dieser Funktion der Winkelhalbierenden durch den Koordinatenursprung, für sehr große Werte von ß der Hyperbel von 1/ß. Die Ableitung von fM(ß) nach ß errechnet sich zu
Diese ist null für ß = 1: An dieser Stelle befindet sich ein lokales Maximum der Messverstärkung fM(ß) mit dem Wert 1/2, d.h. bei einem ß in der Umgebung von 1 hängt die Messverstärkung praktisch nicht vom exakten Wert von ß ab und beträgt 0,5. Bei ß ~ 1 beträgt somit I1 immer die Hälfte von I2.This is zero for β = 1: at this point there is a local maximum of the measurement gain f M (β) with the
Bei Stromverstärkungen ß << 1 überwiegt die Abhängigkeit vom Wert von ß, die Messung wird also stärker toleranzabhängig bei sehr kleinen Stromverstärkungen. Bei Stromverstärkungen ß > 1 ist dieses Toleranzproblem geringer, weil der rechte Ast der oben schon beschriebenen Hyperbel aus der Funktion fM(ß) fast waagerecht verläuft.With current amplification ß << 1 the dependence on the value of ß predominates, so the measurement becomes more tolerance dependent with very small current amplifications. With current amplifications ß> 1, this tolerance problem is less, because the right branch of the hyperbola already described above from the function fM (ß) runs almost horizontally.
Damit muss die Anfanghypothese R1 = R2 entsprechend verfeinert werden, da die Annahme I1 = I2 nicht mehr gilt. Stattdessen errechnen sich die Widerstandwerte gemäß der Formel
R1 ist also ungefähr doppelt so hochohmig zu wählen wie R2 bzw. gemäß des tatsächlich vorliegenden Wertes der Optokopplerstromverstärkung ß. Den letzten Schliff bekommt die Messschaltung, wenn der Wert von R1 um den Betrag reduziert wird, der zur Kompensation der Flussspannung der Sendediode des Gegenkopplungsoptokopplers OK2 erforderlich ist.R1 is thus to be selected approximately twice as high as R2 or according to the actual value of the optocoupler current amplification β. The final touch is given to the measuring circuit when the value of R1 is reduced by the amount required to compensate for the forward voltage of the transmitting diode of the negative feedback optocoupler OK2.
Die bisher beschriebenen Ausführungsformen der Steuerschaltung sind alle analog aufgebaut. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Steuerschaltung digital z.B. mittels eines Mikrocontrollers aufzubauen, und die Spannungsmessungen über Analog/Digital-Wandler durchzuführen. Für die Ansteuerung des Schalttransistors ist dazu evtl. eine Treiberstufe notwendig.The previously described embodiments of the control circuit are all constructed analogously. Of course, it is also possible to control the control circuit digitally e.g. build up by means of a microcontroller, and perform the voltage measurements via analog / digital converter. For the control of the switching transistor, a driver stage may be necessary.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- BPBP
- Bezugspotentialreference potential
- BxBx
- Energiespeicher oder Zelle B1, B2, B3, B4Energy storage or cell B1, B2, B3, B4
- C1C1
- Kondensator für die Mitkopplungs-ZeitkonstanteCapacitor for the positive feedback time constant
- C2C2
- Auskoppelkondensator zum Treiben der Gateansteuerung so, dass der Wandlerzellentransistor eingeschaltet wirdDecoupling capacitor for driving the gate driver so that the converter cell transistor is turned on
- C3C3
- Auskoppelkondensator zum Treiben der Gateansteuerung so, dass der Wandlerzellentransistor ausgeschaltet wirdDecoupling capacitor for driving the gate driver so that the converter cell transistor is turned off
- C4C4
- Ausgangsglättungskondensator der WandlerzelleOutput smoothing capacitor of the converter cell
- C10C10
- Vorhaltkondensator zur Quasi-ZVS-ErkennungReserve capacitor for quasi-ZVS detection
- CtlCtl
- Steuerschaltung für eine betrachtete WandlerzelleControl circuit for a considered converter cell
- Dxdx
- Ausgangs- bzw. Gleichrichterdiode D1, D2, D3, D4 der Wandlerzelle xOutput or rectifier diode D1, D2, D3, D4 of the converter cell x
- D10D10
- Klemmdiode am negativen Eingang des StrommeßkomparatorsClamping diode at the negative input of the current measuring comparator
- OK1OK1
- MessoptokopplerMessoptokoppler
- OK2 OK2
- GegenkopplungsoptokopplerGegenkopplungsoptokoppler
- Rx1Rx1
- Oberer Spannungsmeßwiderstand R1, R21, R31, R41Upper voltage measuring resistor R1, R21, R31, R41
- Rx2Rx2
- Unterer Spannungsmeßwiderstand R2, R22, R32, R42Lower voltage measuring resistor R2, R22, R32, R42
- R3R3
- Gegenkopplungswiderstand der ZellenspannungsmessungNegative feedback resistance of the cell voltage measurement
- Rx4rx4
- Oberer Referenzwiderstand R4, R44Upper reference resistor R4, R44
- Rx5Rx5
- Mitkopplungswiderstand R5, R45 zur Bildung einer Schmitt-Trigger-CharakteristikCoupling resistor R5, R45 for forming a Schmitt-trigger characteristic
- Rx6Rx6
- Unterer Referenzwiderstand R6, R46Lower reference resistor R6, R46
- R7R7
- Oberer SchwellenwiderstandUpper threshold resistance
- R8R8
- Unterer SchwellenwiderstandLower threshold resistance
- R9R9
- PWM- bzw. Gatetreiber-AusgangswiderstandPWM or gate driver output resistance
- R10R10
- Drain-Spannungs-MeßwiderstandDrain voltage measuring resistor
- R11R11
- Oberer AusschaltschwellenwiderstandUpper turn-off threshold resistance
- R12R12
- Unterer AusschaltschwellenwiderstandLower turn-off threshold resistance
- R13R13
- Gate-EntladewiderstandGate discharge resistor
- R14R14
- Gegenkopplungswiderstand auf der Wandlerausgangsseite bei potentialgetrennter vergleichender SpannungsmessungNegative feedback resistor on the converter output side with potential-separated comparative voltage measurement
- R15R15
- Oberer Gatetreiber-EntladewiderstandUpper gate driver discharge resistor
- R16R16
- Unterer Gatetreiber-EntladewiderstandLower gate driver discharge resistor
- R17R17
- Gatetreiber-EinschaltgegenkoppelwiderstandGate driver Einschaltgegenkoppelwiderstand
- R18R18
- Stromspiegel-EingangsemitterwiderstandCurrent mirror input emitter resistor
- R19R19
- Stromspiegel-AusgangsemitterwiderstandCurrent mirror output emitter resistor
- R20R20
- SpannungsmessserienwiderstandVoltage measuring series resistance
- R43R43
- Stromsenken-LastwiderstandCurrent sink load resistance
- R48R48
- Stromsenken-GegenkoppelwiderstandCurrent sink counter coupling resistor
- SxSx
- Wandlerzellen-Leistungsschalttransistor T1, T2, T3, T4Converter cell power switching transistor T1, T2, T3, T4
- T1T1
- Differenzverstärkertransistor am positiven EingangDifferential amplifier transistor at the positive input
- T2T2
- Differenzverstärkertransistor am negativen Eingang Differential amplifier transistor at the negative input
- T3T3
- Stromspiegel-AusgangstransistorCurrent mirror output transistor
- T4T4
- Stromspiegel-EingangstransistorCurrent mirror input transistor
- T5T5
- Oberer GatetreibertransistorUpper gate driver transistor
- T6T6
- Unterer GatetreibertransistorLower gate driver transistor
- T7T7
- Messtransistormeasuring transistor
- TrxTrx
- Übertrager oder Leistungstransformator Tr1, Tr2, Tr3, Tr4 der Wandlerzelle xTransformer or power transformer Tr1, Tr2, Tr3, Tr4 of the converter cell x
- U1U1
- Strommeßkomparator, der auch die PWM erzeugtCurrent measuring comparator, which also generates the PWM
- U2U2
- Ablaufskontroll-KomparatorFlow control comparator
- U3U3
- Eingangs(-vergleichs-)messverstärkerInput (-vergleichs-) measuring amplifier
- V1V1
- gedämpfte und zentrierte Ausgangsspannung des Strommeßkomparators U1attenuated and centered output voltage of the current measuring comparator U1
- V2V2
- Ausgangsspannung des Eingangsmessverstärkers U3Output voltage of the input measuring amplifier U3
- Vb1Vb1
- Zellenspannung des zu entladenden EnergiespeichersCell voltage of the energy storage to be discharged
- Vb2Vb2
- Zellenspannung des aufzuladenden EnergiespeichersCell voltage of the energy storage to be charged
- VGVG
- Gatespannung des Wandlerzellen-Leistungstransistors S1Gate voltage of the converter cell power transistor S1
- VKVK
- Potential des Ausgangs der diskret aufgebauten Komparator-EingangsstufePotential of the output of the discretely constructed comparator input stage
- VnVn
- Spannung am negativen Eingang von U3Voltage at the negative input of U3
- VoVo
- Stoppschwellestop threshold
- Voffvoff
- Referenzspannung am positiven Eingang von U1Reference voltage at the positive input of U1
- Vpvp
- Spannung am positiven Eingang von U3 bzw. an der Basis von T7, zugleich Referenzpotential für die gesamte SteuerungVoltage at the positive input of U3 or at the base of T7, at the same time reference potential for the entire control
- VSVS
- Drainpotential des Wandlerzellentransistors S1Drain potential of the converter cell transistor S1
- VuVu
- Startschwellestart threshold
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6356055 B1 [0005] US 6356055 B1 [0005]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- http://de.wikipedia.org/wiki/Stromspiegel [0078] http://en.wikipedia.org/wiki/stream_mirror [0078]
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