DE10112820A1 - Measuring currents in multi-phase converters involves performing a current or voltage measurements on pairs of half bridges combined to form current measurement units - Google Patents
Measuring currents in multi-phase converters involves performing a current or voltage measurements on pairs of half bridges combined to form current measurement unitsInfo
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Abstract
Description
Spannungswandler werden in der Regel mit einem Regler ausgestattet. Zur Ermittlung der Reglerausgangsgrößen sind als Eingangsgrößen die Ströme und Spannungen erforderlich. Bei mehrfach versetzt getakteten Spannungswandlern sind dabei in jedem Pfad (d. h. jeder Phase) des Spannungswandlers eigene Stromsensoren notwendig, um Asymmetrien und Toleranzen ausgleichen zu können.Voltage transformers are usually equipped with a regulator. To determine the Controller outputs are the inputs and the currents and voltages required. In the case of voltage converters clocked with multiple offsets, each path (i.e. each Phase) of the voltage converter own current sensors necessary to detect asymmetries and To be able to compensate for tolerances.
Die Umformung von elektrischer Energie, beispielsweise in einem Fahrzeugbordnetz, er folgt heute üblicherweise durch statische Umrichter. In diesen leistungselektronischen Schaltungen werden häufig Gleichgrößen in Wechselgrößen einer bestimmten Frequenz oder umgekehrt Wechselgrößen in Gleichgrößen umgeformt. Die Wechsel- bzw. Gleich größen sind beispielsweise Spannungen oder Ströme. Für die Umformung der Größen be steht auch die Möglichkeit, daß Gleichgrößen in Gleichgrößen, beispielsweise eine Gleich spannung in eine Gleichspannung mit einem anderen Spannungsniveau umgeformt werden. Bei dieser Spannungsumformung kann auch ein Energiefluß in beiden Richtungen erfol gen.The conversion of electrical energy, for example in a vehicle electrical system, he usually follows today through static converters. In these power electronics Circuits are often equal quantities in alternating quantities of a certain frequency or vice versa, converted alternating variables into equal variables. The change or equal Variables are for example voltages or currents. For resizing sizes there is also the possibility that equals in equals, for example an equals voltage can be converted into a DC voltage with a different voltage level. With this voltage conversion, energy can flow in both directions gene.
DE 196 46 043 A1 bezieht sich auf einen Umrichter für die Umformung von elektrischer Energie, bei dem in einem Fahrzeugbordnetz die von einem Drehstromgenerator gelieferte Spannung umgeformt wird. Bei diesem bekannten System wird der Drehstromgenerator gleichzeitig auch als Starter betrieben. Damit die Maschine sowohl als Starter als auch als Generator arbeiten kann und zur optimalen Regelung der Ausgangsspannung bei Genera torbetrieb, ist die elektrische Maschine über eine gesteuerte Gleichrichterbrücke über einen Zwischenkreiskondensator mit dem Bordnetz einschließlich der Batterie verbunden. Die Gleichrichterbrücke umfaßt dabei sechs Pulswechselrichterelemente, die von einem Bord netzsteuergerät angesteuert werden.DE 196 46 043 A1 relates to a converter for the conversion of electrical Energy, in the case of a vehicle electrical system, that supplied by a three-phase generator Voltage is transformed. In this known system, the three-phase generator also operated as a starter. So that the machine as both a starter and Generator can work and for optimal control of the output voltage at Genera gate operation, the electrical machine is connected to a controlled rectifier bridge DC link capacitor connected to the vehicle electrical system including the battery. The Rectifier bridge comprises six pulse inverter elements, which are from a board network control device can be controlled.
DE 199 47 476.1 bezieht sich auf einem Umrichter für die Umformung von elektrischer Energie. Es werden Umrichter für die Umformung von elektrischer Energie, insbesondere für ein Fahrzeugbordnetz angegeben, die wenigstens eine Halbbrücke aufweisen, die ihrer seits wenigstens einen High-Side- und einen Low-Side-Schalter mit einer vorgebbaren An zahl von Schaltern umfaßt. Der High-Side- und der Low-Side-Schalter weisen einen ge meinsamen Anschluß auf, der mit einem die elektrische Energie erzeugenden Mittel in Verbindung steht. Parallel zur Halbbrücke liegt ein Zwischenkreiskondensator, dessen Ka pazität möglichst kleingehalten werden soll. Dazu wird die Ansteuerung der Schalter der Halbbrücke gegeneinander versetzt vorgenommen, so daß der vom Zwischenkreiskonden sator zu liefernde Strom möglichst gering bleibt.DE 199 47 476.1 relates to a converter for the conversion of electrical Energy. There will be converters for the conversion of electrical energy, in particular specified for a vehicle electrical system, which have at least one half-bridge, their on the one hand, at least one high-side and one low-side switch with a predefinable on number of switches included. The high-side and the low-side switch have a ge common connection, which with a means generating the electrical energy in Connection is established. Parallel to the half-bridge is an intermediate circuit capacitor, the Ka capacity should be kept as small as possible. For this purpose, the control of the switches of the Half-bridge offset from each other, so that the DC link current to be supplied remains as low as possible.
Bei Mehrphasenwandlern mit vier versetzt getakteten Halbbrücken kann eine Strommes sung in jeder Phase erfolgen, d. h. jeder Phase der Halbbrücke ist ein eigenes Strommeß element zugeordnet. Daneben lassen sich in Mehrphasenwandlern mit versetzt getakteten Halbbrücken Strommeßelemente im Transistorpfad sowohl auf der High-Side oder auch auf der Low-Side im Transistorpfad anordnen.With multi-phase converters with four staggered half bridges, one current can be measured in every phase, d. H. Each phase of the half-bridge has its own current measurement element assigned. In addition, in multi-phase converters with offset clocked Half-bridge current measuring elements in the transistor path both on the high side or Arrange on the low side in the transistor path.
Die verwendeten Strommeßelemente können zum Beispiel als Shunt oder als Kompensa tionsmeßwandler oder dergleichen beschaffen sein. In einfachen Schaltungsanordnungen reduziert sich die Auswahl auf die Verwendung von Shunts.The current measuring elements used can, for example, as a shunt or as a compensa tion transducer or the like. In simple circuit arrangements the selection is reduced to the use of shunts.
Bei mehrphasig aufgebauten Wandlern erhöht sich mit der Phasenzahl auch die Anzahl der verwendeten Shunts und der Auswerteschaltung proportional mit, was die Bauelementan zahl und damit die Kosten entsprechend in die Höhe treibt.In multi-phase converters, the number of phases increases with the number of phases used shunts and the evaluation circuit proportional to what the component number and thus driving up costs accordingly.
Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu erblic ken, daß unter Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens bei versetzt getakteten Mehrphasenwandlern mit gerader Phasenanzahl die für dessen Regler notwen digen Reglereingangsgrößen mit einer erheblich reduzierten Anzahl von Strommeßele menten bereitgestellt werden können. Als Strommeßelemente lassen sich bei einfachen Schaltungsanordnungen Shunts, bei aufwendigeren Anordnungen Kompensationswandler einsetzen.The advantages that can be achieved with the solution according to the invention can be seen primarily therein ken that offset using the method proposed by the invention clocked multi-phase converters with an even number of phases necessary for its controller controller inputs with a significantly reduced number of ammeters elements can be provided. As current measuring elements can be simple Circuit arrangements shunts, with more complex arrangements compensation converters deploy.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann die notwendige Anzahl von Stromaufnehmern halbiert werden. Dies hat nicht nur den unmittelbaren Effekt der Bauelementereduzierung und der damit verbundenen Kostenreduktion zur Folge, sondern reduziert den Aufwand, der an einer nachgeordneten Schaltung zur Auswertung zu betreiben ist, erheblich. Es kann auf Stromverstärker, A/D-Wandler und Überwachungsschaltungen verzichtet werden, so daß auch die Anzahl möglicher Fehlerquellen abnimmt und sich die Schaltungsdiagnose erheblich vereinfachen läßt.With the solution according to the invention, the necessary number of current sensors can be be halved. This not only has the immediate effect of component reduction and the associated cost reduction, but reduces the effort, which is to be operated on a downstream circuit for evaluation, considerably. It can current amplifiers, A / D converters and monitoring circuits can be dispensed with, see above that the number of possible sources of error also decreases and the circuit diagnosis can be simplified considerably.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden mit einem Strommeßglied zwei um 180° pha senversetzte Ströme angesteuert, erfaßt und ausgewertet und dem Regler des Mehrphasen wandlers, wie zum Beispiel eines Spannungswandlers, als Eingangsgrößen aufgegeben. Zur Generierung von Strommeßpausen wird die Strommessung mittels eines Trigger- Bausteins ausgelöst. Verglichen mit herkömmlichen Regleranordnungen ist nur die halbe Anzahl von Strommeßelementen sowie die zu diesen gehörige Elektronik notwendig. Fer ner werden die zu messenden Ströme stets in ihrem Mittelwert erfaßt, so daß eine Signal weiterverarbeitung hinsichtlich einer Mittelwertbildung ebenfalls entfallen kann. Im Re gelkreis kann eine schnelle Überstromüberwachung erfolgen, wenn die eingesetzte Über wachung jeweils synchronisiert mit den einzelnen zu messenden Strömen I1, I2 umge schaltet wird.With the solution according to the invention, two currents offset by 180 ° are driven, detected and evaluated with a current measuring element and the controller of the multi-phase converter, such as a voltage converter, is given as input variables. The current measurement is triggered by means of a trigger module to generate current measurement pauses. Compared to conventional regulator arrangements, only half the number of current measuring elements and the electronics associated with them are necessary. Fer ner, the currents to be measured are always recorded in their mean value, so that signal processing with regard to averaging can also be omitted. Rapid overcurrent monitoring can be carried out in the control circuit if the monitoring used is switched over in synchronization with the individual currents I 1 , I 2 to be measured.
Die Anordnung der Strommeßelemente kann sowohl auf der High-Side als auch auf der Low-Side im Transistorpfad des Mehrphasenwandlers angeordnet werden.The arrangement of the current measuring elements can be both on the high side and on the Low-side can be arranged in the transistor path of the multi-phase converter.
Je nach Ausbildung des Mehrphasenwandlers mit 4, 6 oder einer noch höheren geraden Anzahl von versetzt getakteten Halbbrücken, ist eine dieser Anzahl von Eingängen bzw. Ausgängen entsprechende Reglerstruktur vorzusehen.Depending on the design of the multi-phase converter with 4, 6 or even higher straight ones Number of half-bridges clocked with offset, is one of this number of inputs or Provide appropriate controller structure for outputs.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ergibt sich dann, wenn die Ansteuerung der Transistoren in den Transistorphasen mittels Center-Aligned PWM-Signalen erfolgt. Die sich damit einstellenden Pulspausen erlauben eine besonders zuverlässige Strommessung, da die sich einstellenden Pulspausen ausrei chende Meßzeiten gestatten.A particularly advantageous application of the method proposed according to the invention arises when the control of the transistors in the transistor phases by means of Center-aligned PWM signals occur. The resulting pulse pauses allow a particularly reliable current measurement, since the resulting pulse pauses are sufficient allow appropriate measuring times.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detailliert beschrieben.The invention is described in detail below with reference to the drawing.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 einen Mehrphasenwandler (U2/U1-Spannungswandler) mit 4 versetzt getakteten Halbbrücken und Strommessung im Transistorpfad, Fig. 1 is a multi-phase converter (U 2 / U 1 voltage transformers) with 4 added clocked half-bridge and current measurement in the transistor path,
Fig. 2 einen Mehrphasenwandler gemäß Fig. 1, jedoch mit 6 getakteten Halbbrüc ken, Fig. 2 is a multi-phase converter of FIG. 1, but with 6 ken clocked Halbbrüc,
Fig. 3 einen vollständigen Regelkreis mit Darstellung von zwei versetzt um 180° an geordneten Halbbrücken, Fig. 3 shows a complete control loop with display of two offset by 180 ° on parent half-bridges,
Fig. 4, 5 die Erzeugung von 180°-versetzten Center-Aligned PWM-Befehlen, Fig. 4, 5, the generation of 180 ° -versetzten center-aligned PWM commands,
Fig. 6 die Erzeugung von Triggersignalen (Trigger 1) und Fig. 6, the generation of trigger signals (trigger 1 ) and
Fig. 7 die Erzeugung von 180°-versetzten Triggersignalen (Trigger 2) zur Auslösung von Strommeßvorgängen im Mehrphasenwandler. Fig. 7 shows the generation of 180 ° offset trigger signals (trigger 2 ) for triggering current measurement processes in the multi-phase converter.
Der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein Mehrphasenwandler (U2/U1-Spannungswandler) mit 4 versetzt getakteten Halbbrücken und Strommessung im Transistorpfad entnehmbar.The illustration of FIG. 1 is a multi-phase converter (U 2 / U 1 voltage transformers) with 4 added clocked half-bridge, and current measurement in the path transistor removed.
Im Falle des in Fig. 1 dargestellten Mehrphasenwandlers 1 handelt es sich um einen Spannungswandler, dessen an der Eingangsseite 2 anstehende Spannung U1 in die an der Ausgangsseite 3 abgreifbare Ausgangsspannung U2 transformiert wird. Sowohl an der Ein gangsseite 2 des Spannungswandlers 1 gemäß der Darstellung in Fig. 1 als auch auf der Ausgangsseite 3 des Spannungswandlers sind Kapazitäten 4 bzw. 5 vorgesehen. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 umfaßt der Spannungswandler 1 vier versetzt getaktete Halbbrücken 13, die jeweils mit P1, P2, P3 und P4 gekennzeichnet sind. Die einzelnen Halbbrücken 13 des Spannungswandlers 1 gemäß der Darstellung in Fig. 1 werden mit versetzter Taktung 6 betrieben, die 180° beträgt. Die Halbbrücke 13, P1 und die Halbbrücke 13, welche mit P3 bezeichnet ist, werden, absolut gesehen, mit 0° und 180° betrieben, während die mit P2 und P4 bezeichneten Halbbrücken 13 absolut gesehen mit 90° und unter 270° Phasenwin kel betrieben werden.In the case of the multi-phase converter 1 shown in FIG. 1 is a voltage converter, whose pending at the input side voltage U 2 is transformed into the tapped off at the output side of the output voltage U 3 2 1. Capacities 4 and 5 are provided both on the input side 2 of the voltage converter 1 as shown in FIG. 1 and on the output side 3 of the voltage converter. As shown in Fig. 1, the voltage converter 1 comprises four offset clocked half bridges 13, each with P1, P2, P3 and P4 are indicated. The individual half bridges 13 of the voltage converter 1 as shown in FIG. 1 are operated with offset clocking 6 , which is 180 °. The half-bridge 13 , P1 and the half-bridge 13 , which is denoted by P3, are operated in absolute terms, operated at 0 ° and 180 °, while the half-bridges 13 denoted by P2 and P4 operated in absolute terms with 90 ° and below 270 ° of phase angle become.
Die einzelnen Halbbrücken 13 umfassen sowohl auf ihrer High-Side 11 als auch ihrer Low- Side 12 jeweils einen Transistor 8, dessen Transistorbasis 9 über ein pulsweitenmoduliertes Signal, wie nachstehend noch gezeigt werden wird, angesteuert wird. Parallel zum jeweili gen Transistor 8 auf der High-Side 11 bzw. der Low-Side 12 der Halbbrücke 13 liegt eine Sperrdiode 10. Die einzelnen Halbbrücken 13, d. h. P1, P2, P3 und P4 sind mit Entkopp lungsinduktivitäten 7 versehen.The individual half bridges 13 each include a transistor 8 on their high side 11 and their low side 12 , the transistor base 9 of which is controlled via a pulse width modulated signal, as will be shown below. A blocking diode 10 is connected in parallel with the respective transistor 8 on the high side 11 and the low side 12 of the half bridge 13 . The individual half bridges 13 , ie P1, P2, P3 and P4 are provided with decoupling inductors 7 .
Je zwei der Halbbrücken 13 im in Fig. 1 dargestellten Beispiel die Halbbrücken P1 und P3 sowie die Halbbrücken P2 und P4 sind zu Stromerfassungseinheiten 15 zusammenge schaltet. In der Darstellung gemäß Fig. 1 sind den jeweiligen Stromerfassungseinheiten 15, jeweils bestehend aus zwei Halbbrücken 13, die zueinander versetzt getaktet werden, Strom- bzw. Spannungsmeßelemente 14 zugeordnet. In der Darstellung gemäß Fig. 1 liegen die Strom- bzw. Spannungsmeßelemente 14 auf der Low-Side der jeweiligen Halb brücken 13. Alternativ können die in Fig. 1 auf der Low-Side 12 liegenden Stromerfas sungselemente 14 auch auf der High-Side 11 der jeweiligen Halbbrücken angeordnet sein. Entscheidend ist der Umstand, daß mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfah rens mit einem Strommeßelement 14 die Ströme in zwei Halbbrücken 13 erfaßt ausgewer tet und einem in Fig. 1 nicht dargestellten Regler als Eingangsgrößen zur Verfügung ge stellt werden können.Two of the half bridges 13 in the example shown in FIG. 1, the half bridges P1 and P3 and the half bridges P2 and P4 are connected together to form current detection units 15 . In the illustration according to FIG. 1, current and voltage measuring elements 14 are assigned to the respective current detection units 15 , each consisting of two half bridges 13 , which are clocked offset from one another. In the illustration of FIG. 1, the current and voltage measuring elements 14 lying on the low side of the respective half bridges 13. Alternatively, the current detection elements 14 lying on the low side 12 in FIG. 1 can also be arranged on the high side 11 of the respective half bridges. The decisive factor is that by means of the method proposed according to the invention with a current measuring element 14, the currents detected in two half-bridges 13 are evaluated and a controller (not shown in FIG. 1) can be provided as input variables.
Der Darstellung gemäß Fig. 2 ist ein Mehrphasenwandler gemäß Fig. 1, jedoch mit 6 getakteten Halbbrücken entnehmbar.The illustration according to FIG. 2 shows a multi-phase converter according to FIG. 1, but with 6 clocked half bridges.
Der Mehrphasenwandler 2, bei dem es sich analog zur Darstellung gemäß Fig. 1 um einen Spannungswandler handeln kann, wandelt eine an der Eingangsseite 2 anstehende Span nung U1 in eine an der Ausgangsseite 3 abgreifbare Ausgangsspannung U2 um. Sowohl an der Eingangsseite 2 als auch an der Ausgangsseite 3 des Mehrphasenwandlers gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind Kapazitäten 4 bzw. 5 aufgenommen. Im Unterschied zur Dar stellung gemäß Fig. 1 umfaßt der in Fig. 2 wiedergegebene Mehrphasenwandler 6 Halb brücken 13, die durch P1, P2, P3, P4, P5 bzw. P6 gekennzeichnet sind. Jede der Halbbrüc ken 13 umfaßt auf der High-Side 11 einen Kondensator 8, dem eine Sperrdiode 10 parallel geschaltet ist. Diese Anordnung findet sich auch auf der Low-Side 12 der jeweiligen Halb brücken 13, bezeichnet mit P1 bis P6, wieder. Analog zur Darstellung gemäß Fig. 1 ist jeder Halbbrücke 13 eine Entkopplungsinduktivität 7 zugeordnet. The multiphase converter 2 , which can be a voltage converter analogously to the illustration according to FIG. 1, converts a voltage U 1 present at the input side 2 into an output voltage U 2 which can be tapped at the output side 3 . Capacities 4 and 5 are recorded both on the input side 2 and on the output side 3 of the multiphase converter as shown in FIG. 2. In contrast to the Dar position shown in FIG. 1, the multi-phase converter shown in FIG. 2 comprises 6 half bridges 13 , which are characterized by P1, P2, P3, P4, P5 and P6. Each of the half bridges 13 comprises a capacitor 8 on the high side 11 , to which a blocking diode 10 is connected in parallel. This arrangement can also be found on the low side 12 of the respective half bridges 13 , designated P1 to P6, again. Analogously to the illustration according to FIG. 1, each half bridge 13 is assigned a decoupling inductance 7 .
Jeweils zwei der Halbbrücken 13, in der Darstellung gemäß Fig. 2 die Halbbrücke P1 und die Halbbrücke P4, bzw. die Halbbrücke P2 und die Halbbrücke PS sowie die Halbbrücke P3 und die Halbbrücke P6, sind zu gemeinsamen Stromerfassungseinheiten 15 zusammen geschaltet, denen auf der Low-Side 12 der jeweiligen Halbbrücken 13 ein Strom- bzw. ein Spannungsmeßelement 14 zugeordnet ist. Bei einfachen Schaltungsanordnungen kann das Strom- bzw. Spannungsmeßelement 14 als ein Shunt ausgebildet sein; das Strom- bzw. Spannungsmeßelement kann aber ebensogut als ein Kompensationswandler beschaffen sein. Die in der Darstellung gemäß Fig. 2 am Mehrphasenwandler 1 vorgesehen 6 Halb brücken sind jeweils mit einer versetzten Taktung 6 von 180° betreibbar. Durch die Zuord nung eines Strommeßelementes 14 in Gestalt eines Shunts oder eines Kompensations wandlers zu jeweils einer Stromerfassungseinheit 15, lassen sich die beiden Ströme I1, I2 einer jeden Halbbrücke 13 mit einem gemeinsamen Strommeßglied erfassen, auswerten und einem in den Darstellungen gemäß der Fig. 1 und 2 nicht dargestellten Regler als Eingangsgrößen aufgeben. Dadurch läßt sich einerseits die Anzahl der einzusetzenden Bauelemente reduzieren, andererseits ist der Aufwand, der hinsichtlich einer nachgeordne ten Schaltung zu betreiben ist, erheblich minimiert. Strommeßverstärker, Analog/Digital- Wandler sowie Überwachungsschaltungen können in der Folge reduziert und somit die auftretenden Fehlermöglichkeiten herabgesetzt werden.Two of the half-bridges 13 , in the illustration according to FIG. 2, the half-bridge P1 and the half-bridge P4, or the half-bridge P2 and the half-bridge PS as well as the half-bridge P3 and the half-bridge P6, are connected together to form common current detection units 15 , which on the Low-side 12 of the respective half-bridges 13 is assigned a current or voltage measuring element 14 . In simple circuit arrangements, the current or voltage measuring element 14 can be designed as a shunt; the current or voltage measuring element can, however, just as well be designed as a compensation converter. The 6 half bridges provided in the illustration according to FIG. 2 on the multi-phase converter 1 can each be operated with an offset clocking 6 of 180 °. By assigning a current measuring element 14 in the form of a shunt or a compensation converter to a respective current detection unit 15 , the two currents I 1 , I 2 of each half-bridge 13 can be detected with a common current measuring element, evaluated and one in the representations according to FIG Enter 1 and 2 controllers, not shown, as input variables. On the one hand, this allows the number of components to be used to be reduced, and on the other hand, the outlay which has to be carried out with regard to a downstream circuit is considerably minimized. Current measuring amplifiers, analog / digital converters and monitoring circuits can subsequently be reduced, thus reducing the potential for errors.
Der Darstellung gemäß Fig. 3 ist ein vollständiger Regelkreis mit Darstellung von zwei versetzt um 180° angeordneten Halbbrücken entnehmbar.The representation of FIG. 3 is a complete loop with display of two offset by 180 ° are arranged half-bridges removed.
Stellvertretend für eine Stromerfassungseinheit 15 gemäß einer der Fig. 1 oder 2 sind in der Darstellung gemäß Fig. 3 die Low-Side-Bereiche 12 von zwei Halbbrücken 13 darge stellt, in denen jeweils ein Transistor 8 mit zugehöriger Transistorbasis 9 aufgenommen ist. Parallel zu den Transistoren 8 in jeder der Halbbrücken 13 sind Sperrdioden 10 geschaltet. Die Transistorbasis 9 wird jeweils über ein PWM-Signal 2, Bezugszeichen 39, bzw. über ein PWM 1-Signal 38 angesteuert, wobei die beiden PWM-Signale 38 bzw. 39 von einem PWM-Regler 35 generiert werden.Representing a current detection unit 15 according to one of FIGS . 1 or 2, the low-side regions 12 of two half-bridges 13 are shown in the illustration according to FIG. 3, in each of which a transistor 8 with an associated transistor base 9 is accommodated. Blocking diodes 10 are connected in parallel to the transistors 8 in each of the half bridges 13 . The transistor base 9 is controlled in each case by a PWM signal 2 , reference numeral 39 or by a PWM 1 signal 38 , the two PWM signals 38 and 39 being generated by a PWM controller 35 .
Die Ströme I1 bzw. I2 in den beiden Halbbrücken 13 der gemeinsamen Stromerfassungs einheit 15 werden über ein der Stromerfassungseinheit 15 zugeordnetes Strom- bzw. Span nungselement 14 ermittelt. Die Strommessung 16 erfolgt mittels Widerständen 17 und ei nes der Strommeßeinheit 16 zugeordneten Operationsverstärkers. Der Strommeßeinheit 16 nachgeordnet ist in der Darstellung gemäß Fig. 3 eine Überwachungseinheit 20, mit der sich einstellende Überströme erkannt und entsprechende Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden können. Die Überwachungseinheit 20 umfaßt einen Operationsverstärker 22, an dem eingangsseitig ein maximal zulässiger Stromwert 21 eingegeben werden kann. Durch die gemäß Fig. 3 dargestellte Überwachungseinheit 20 läßt sich ein Fehlersignal 23 gene rieren, welches das Einleiten von Abschaltvorgängen und dergleichen auslöst.The currents I 1 and I 2 in the unit of two half-bridges 13, the common current detection 15 are connected via a current detection unit 15 assigned to current or voltage clamping element 14 is determined. The current measurement 16 takes place by means of resistors 17 and egg nes the operational amplifier 16 associated operational amplifier. A current monitoring unit 20 is arranged downstream of the current measuring unit 16 in the illustration according to FIG. 3, by means of which overcurrents which occur can be detected and appropriate safety measures can be initiated. The monitoring unit 20 comprises an operational amplifier 22 , on the input side of which a maximum permissible current value 21 can be entered. By FIG. Monitoring unit 20 shown 3, an error signal 23 generated Center, which triggers the initiation of turn-off operations and the like can.
Dem Abgriffspunkt 24, an dem die ausgangsseitigen Ströme der Strommeßeinheit 16 an die Überwachungseinheit 20 übermittelt werden, nachgeordnet ist ein Sample & Hold- Baustein 27. Dieser umfaßt einen Öffnungs- bzw. Schließschalter 26, dem eine Kapazität 25 nachgeordnet ist. Der Sample & Hold-Baustein 27 umfaßt darüber hinaus einen Opera tionsverstärker 22; dem Sample & Hold-Baustein 27 ist ein A/D-Wandler 28 nachgeschal tet, dem wiederum ein Schalter 29 nachgeordnet ist, über den entweder die Messung des Stromes I1, Bezugszeichen 30, oder des Stromes I2, Bezugszeichen 31, ausgelöst werden kann.A sample and hold module 27 is arranged downstream of the tap point 24 at which the output-side currents of the current measuring unit 16 are transmitted to the monitoring unit 20 . This includes an opening or closing switch 26 , which is followed by a capacitance 25 . The sample and hold module 27 also includes an operational amplifier 22 ; the sample and hold module 27 is followed by an A / D converter 28 , which in turn is followed by a switch 29 via which either the measurement of the current I 1 , reference symbol 30 , or of the current I 2 , reference symbol 31 , is triggered can.
Die gemessenen Werte für die Ströme I1, Bezugszeichen 30, und I2, Bezugszeichen 31 werden einem Regler 32 des Mehrphasenwandlers 1 als Eingangsgrößen zugeführt, der zum Beispiel als ein Mikroprozessor ausgestaltet sein kann. Ausgangsseitig generiert der Regler 32 eine 1. PWM-Steuergröße 34 sowie eine 2. PWM-Steuergröße 33, die dem PWM-Regler 35 jeweils als Eingangsgrößen aufgegeben werden. Im PWM-Regler 35, der dem Regler 32 des Mehrphasenwandlers 1 nachgeschaltet ist, werden ausgangsseitig so wohl ein PWM 1-Signal 38 als auch ein PWM 2-Signal 39 generiert. Ausgangsseitig wer den ebenfalls im PWM-Regler 35 ein 1. Triggersignal 36 bzw. ein 2. Triggersignal 37 ge neriert. Die beiden Triggersignale 36 bzw. 37 stehen sowohl am Schalter 29, mit dem in die Strommessung für I1, Bezugszeichen 30, als auch in die Strommessung für I2, Bezugs zeichen 31, verzweigt werden kann, als auch am A/D-Wandler 28, welcher dem Sample & Hold-Baustein 27 nachgeordnet ist, an. Das 1. Triggersignal 36 sowie das 2. Triggersignal 37 werden darüber hinaus einer "ODER"-Verknüpfung 40 aufgegeben, wobei der Aus gangswert der "ODER"-Verknüpfung 40 sowohl dem Schalter 26 des Sample & Hold- Bausteins 27 als auch dem diesen nachgeordneten A/D-Wandler 28 zugeführt wird.The measured values for the currents I 1 , reference symbol 30 , and I 2 , reference symbol 31 are fed to a controller 32 of the multi-phase converter 1 , which can be configured, for example, as a microprocessor. On the output side, controller 32 generates a 1st PWM control variable 34 and a 2nd PWM control variable 33 , which are each input to the PWM controller 35 . In the PWM controller 35 , which is connected downstream of the controller 32 of the multiphase converter 1 , a PWM 1 signal 38 and a PWM 2 signal 39 are probably generated on the output side. On the output side, who also generates a 1st trigger signal 36 or a 2nd trigger signal 37 in the PWM controller 35 . The two trigger signals 36 and 37 are both at the switch 29 , with which in the current measurement for I 1 , reference symbol 30 , as well as in the current measurement for I 2 , reference symbol 31 , can be branched, as well as on the A / D converter 28 , which is arranged downstream of the sample and hold module 27 . The 1st trigger signal 36 and the 2nd trigger signal 37 are also given an "OR" operation 40 , the output value of the "OR" operation 40 both the switch 26 of the sample and hold module 27 and the one downstream of it A / D converter 28 is supplied.
Die ausgangsseitig am PWM-Regler 35 erzeugten PWM-Signale 1 bzw. 2, Bezugszeichen 38 bzw. 39, stehen als Center-Aligned PWM-Signale 59 zur Verfügung und steuern die entsprechenden Basen 9 der Transistoren 8, die in den beiden Halbbrücken 13, aus denen eine Stromerfassungseinheit 15 gebildet ist, angeordnet sind.The PWM signals 1 and 2 , reference symbols 38 and 39 , generated on the output side at the PWM controller 35 are available as center-aligned PWM signals 59 and control the corresponding bases 9 of the transistors 8 , which are located in the two half bridges 13 , from which a current detection unit 15 is formed, are arranged.
Den Darstellungen gemäß der Fig. 4 und 5 ist die Erzeugung von 180° versetzten Cen ter-Aligned PWM-Signalen zu entnehmen.The representations according to FIGS. 4 and 5 is the generation of 180 ° offset Cen ter-Aligned PWM signals can be seen.
Fig. 4 zeigt die Generierung von Center-Aligned PWM-Signalen 59 anhand einer auf konstantem Spannungsniveau 56 liegenden Steuerspannung 50 und anhand einer Referenzspannung 51. Die Referenzspannung 51 läßt sich durch abfallende Flanken 52 bzw. anstei gende Flanken 53 charakterisieren. An den Schnittpunkten 54 der abfallenden Flanken 52 bzw. der ansteigenden 53 der Referenzspannung 51 mit der im wesentlichen konstant ver laufenden Steuerspannung 50 entstehen Schaltpunkte, welche die sich einstellenden Pul spausen 58 des Center-Aligned Pulsweitensignals 59 bzw. dessen Pulsdauer 61 definieren. Fig. 4 shows the generation of center-aligned PWM signals 59 based shows a lying at a constant voltage level 56 the control voltage 50 and a reference voltage based 51st The reference voltage 51 can be characterized by falling edges 52 or rising edges 53 . At the intersections 54 of the falling edges 52 and the rising 53 of the reference voltage 51 with the essentially constant ver current control voltage 50 , switching points arise which define the pulse breaks 58 of the center-aligned pulse width signal 59 and its pulse duration 61 .
Das Center-Aligned PWM-Signal gemäß der Darstellung in Fig. 4, Bezugszeichen 59 wird durch einen digitalen Schalter 55 generiert, an dessen positiven Eingangsseite die Referenzspannung 51 und an dessen negativem Eingang die Steuerspannung 50 auf kon stantem Niveau 56 anliegt.The center-aligned PWM signal as shown in FIG. 4, reference numeral 59 is generated by a digital switch 55 , on the positive input side of which the reference voltage 51 and on the negative input of which the control voltage 50 is present at constant level 56 .
Demgegenüber läßt sich der Darstellung gemäß Fig. 5 ein verschobenes Center-Aligned PWM-Signal entnehmen. Im Unterschied zur Darstellung gemäß Fig. 5 verläuft die Steu erspannung 50 im oberen Diagramm der Fig. 5 auf einem 2. Steuerspannungsniveau 57, welches unter dem Spannungsniveau 56 der Steuerspannung 50 gemäß der Darstellung in Fig. 4 liegt. Dadurch stellen sich bei analog anliegender Referenzspannung 51 am digita len Schalter 55 verschobene Schaltpunkte 54 ein, an dem der Referenzspannungsverlauf 51 mit seinen abfallenden Flanken 52 bzw. seinen ansteigenden Flanken 53 die im wesentli chen konstant verlaufende Steuerspannung 50 auf deren 2. Steuerspannungsniveau 57 schneidet. Die durch die Schaltpunkte der abfallenden Flanken 52 bzw. der ansteigenden Flanken 53 gegebenen Pulsdauern 61 bzw. Pulspausen 58 sind um die Versetzung 60 rela tiv zu dem PWM-Signal 59 gemäß der Darstellung in Fig. 4 verschoben.In contrast, the representation may be shown in FIG. 5 a shifted center-aligned PWM signal found. In contrast to the illustration of FIG. 5, the STEU extends erspannung 50 in the upper diagram of Fig. 5 on a second control voltage level 57 which is below the voltage level 56 of the control voltage 50, as shown in Fig. 4. This results in shifted switching points 54 when the reference voltage 51 is applied analogously at the digital switch 55 , at which the reference voltage curve 51 with its falling edges 52 or its rising edges 53 intersects the control voltage 50 , which runs essentially constant, to the second control voltage level 57 thereof. The pulse durations 61 or pulse pauses 58 given by the switching points of the falling edges 52 or the rising edges 53 are shifted relative to the PWM signal 59 by the offset 60 as shown in FIG. 4.
Mit den in Fig. 4 bzw. Fig. 5 erzeugten Center-Aligned PWM-Signalen 59 werden ge mäß der Darstellung in Fig. 3 die jeweiligen Transistorbasen 9 im Low-Side-Bereich 12 der beiden Halbbrücken 13 der Stromerfassungseinheit 15 beaufschlagt. Dadurch läßt sich die in Fig. 1 und Fig. 2 mit Doppelpfeilen bezeichnete jeweilige versetzte Taktung 6 realisieren.With the center-aligned PWM signals 59 generated in FIG. 4 and FIG. 5, the respective transistor bases 9 in the low-side region 12 of the two half-bridges 13 of the current detection unit 15 are applied as shown in FIG. 3. Characterized the designated in Fig. 1 and Fig. 2 by double arrows respective offset clocking 6 can be realized.
Der Darstellung gemäß Fig. 6 ist die Generierung von Trigger-Signalen (Trigger 1) ent nehmbar.The illustration of FIG. 6 is the generation of trigger signals (trigger 1) ent nehmbar.
Dazu wird ein digitaler Schalter 55 sowohl mit einer Referenzspannung 51 als auch mit einer Triggerspannung 70 beaufschlagt. Das sich einstellende Triggersignal 36 hat die Form eines Center-Aligned PWM-Signals, welches sich jedoch von diesem durch eine kür zere Pulsdauer 74 und eine längere Pulspause 73 unterscheidet. For this purpose, both a reference voltage 51 and a trigger voltage 70 are applied to a digital switch 55 . The trigger signal 36 has the form of a center-aligned PWM signal, which however differs from this by a shorter pulse duration 74 and a longer pulse pause 73 .
Die Triggerspannung 70 UTrigger verläuft gemäß der Darstellung in Fig. 6 im oberen Dia gramm auf einem im wesentlichen konstanten Niveau, bezeichnet mit Bezugszeichen 71. Die Referenzspannung 51 nimmt den bereits im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 bezeichneten sägezahnförmigen Verlauf ein und ist im wesentlichen durch ansteigende Flanken 53 bzw. abfallende Flanken 52 gekennzeichnet. An den Schaltpunkten 54 schnei den die ansteigenden Flanken 53 bzw. die abfallenden Flanken 52 der Referenzspannung 51 die Triggerspannung, wodurch ein Triggersignal 1, Bezugszeichen 36, generiert wird. Je nach Höhe der Triggerspannung lassen sich die Pulsdauern 74 der Triggersignale 36 bzw. 37 einstellen und gegeneinander relativ verschieben. Dem in Fig. 6 dargestellten Verlauf des Triggersignals 1, Bezugszeichen 36, ist entnehmbar, daß die sich einstellenden Trigger pulspausen 73 länger als die Pulspausen 58 der PWM-Signale gemäß den Darstellungen in Fig. 4 und 5 sind und daß die Dauer des Triggersignals 1, 36, bezeichnet mit Bezugszei chen 74, kürzer ist als die Pulsdauer 61 eines PWM-Signals 38 oder 39 (Center-Aligned PWM-Signal 59).The trigger voltage 70 U trigger runs as shown in FIG. 6 in the upper diagram at an essentially constant level, designated by reference numeral 71 . The reference voltage 51 assumes the sawtooth-shaped course already described in connection with FIGS. 4 and 5 and is essentially characterized by rising flanks 53 and falling flanks 52 . At the switching points 54, the rising edges 53 and the falling edges 52 of the reference voltage 51 cut the trigger voltage, as a result of which a trigger signal 1 , reference numeral 36 , is generated. Depending on the level of the trigger voltage, the pulse durations 74 of the trigger signals 36 or 37 can be set and relatively shifted relative to one another. It can be seen from the course of the trigger signal 1 , reference number 36 , shown in FIG. 6 that the trigger pulse pauses 73 which occur are longer than the pulse pauses 58 of the PWM signals according to the representations in FIGS. 4 and 5, and that the duration of the trigger signal 1 , 36 , designated by reference numeral 74 , is shorter than the pulse duration 61 of a PWM signal 38 or 39 (center-aligned PWM signal 59 ).
Fig. 7 zeigt die Erzeugung von 180° versetzten Triggersignalen (Trigger 2) zur Auslösung von Strommeßvorgängen im Mehrphasenwandler. Fig. 7 shows the generation of 180 ° offset trigger signals (trigger 2 ) to trigger current measurement processes in the multi-phase converter.
Der Darstellung gemäß Fig. 7 ist entnehmbar, daß die Triggerspannung 70 (UTrigger) auf einem 2. Triggerspannungsniveau 72 verläuft, welches niedriger liegt als das Triggerspan nungsniveau 71 gemäß der Darstellung in Fig. 6. Dadurch stellen sich verschobene Schaltpunkte 54 ein, an denen die ansteigende Signalflanke 53 bzw. die abfallende Signal flanke 52 die im wesentlichen auf konstantem Spannungsniveau 72 verlaufende Trigger spannung 70 UTrigger schneiden. Durch das gewählte 2. Spannungsniveau 72 der Trigger spannung 70 läßt sich eine mit Bezugszeichen 60 identifizierte Versetzung der Triggersi gnale 36 und 37 zueinander realisieren. Die in Fig. 6 und Fig. 7 jeweils im unteren Dia gramm der gegebenen Verläufe des 1. und des 2. Triggersignals 36 bzw. 37 weisen jeweils gemeinsame Triggersignalpausen 73 und gemeinsame Triggersignalpulsdauern 74 auf, sind jedoch zueinander um die Versetzung 60 verschoben.The representation according to Fig. 7 can be taken that the trigger voltage (U trigger) runs on a second trigger voltage level 72 70, which lower is as the trigger clamping voltage level 71, as shown in Fig. 6. As a result, shifted switching points 54 set at which the rising signal edge 53 or the falling signal edge 52 intersect the trigger voltage 70 U trigger , which runs essentially at a constant voltage level 72 . By the selected 2nd voltage level 72 of the trigger voltage 70 , a displacement of the trigger signals 36 and 37, identified by reference numeral 60 , can be realized. Shown in Fig. 6 and 7 respectively in the lower slide of the curves of the 1st and the 2nd trigger signal given program. 36 and 37 each have common trigger signal intervals 73 and common trigger signal pulse durations 74, but are shifted from each other by the offset 60th
Aus der Generierung von versetzten PWM-Signalen 38 bzw. 39 als Center-Aligned PWM- Signal 59 und der Erzeugung von versetzten Triggersignalen 1 und 2, Bezugszeichen 36 bzw. 37, am PWM-Regler 35 kann die Messung der Ströme 30 bzw. 31 I1, I2 in der Stro merfassungseinheit 15 über einen gemeinsames Strommeßelement 14, sei es ein Shunt, sei es ein Kompensationswandler, erfolgen. Die Pulspausen 58 der PWM-Signale 38 bzw. 39 als Center-Aligned PWM-Signale 59 sind dabei so bemessen, daß in den Pulspausen eines Stroms der Ströme I1 und I2 der jeweils andere Strom gemessen werden kann und umge kehrt. Dazu ist am PWM-Regler 35, der dem Regler 32 des Mehrphasenwandlers 1 zugeordnet ist, der PWM-Bereich von 5% bis 95% eingestellt. Über die ausgangsseitig am PWM-Regler 35 anstehenden Triggersignale 36 bzw. 37 wird der Schalter 29 beaufschlagt, der in der Darstellung gemäß Fig. 3 die jeweilige Strommessung von Strom I1 bzw. I2 auslöst. Zu dieser Ansteuerung des Schalters 29 synchronisiert, erfolgt über ein durch die Triggersignale 36 bzw. 37 beaufschlagtes "ODER"-Verknüpfungselement 40 die Auswahl jeweils eines der Triggersignale am Sample & Hold-Baustein 27 bzw. am diesem nachge ordneten A/D-Wandler 28. Dadurch wird in Abstimmung auf die Pulspausenlängen 58 der PWM-Signale 38 bzw. 39, die als Center-Aligned PWM-Signale 59 vom Regler 35 gene riert werden, die Strommessung 16 am Strommeßelement 14 einer Stromerfassungseinheit 15 ständig zwischen einer Halbbrücke 13 (P1) auf die in versetzter Taktung 6 betriebene Halbbrücke P3 oder in Anlehnung an Fig. 2 von der Halbbrücke P1 auf die Halbbrücke P4 usw. umgeschaltet.From the generation of offset PWM signals 38 and 39 as center-aligned PWM signal 59 and the generation of offset trigger signals 1 and 2 , reference symbols 36 and 37 , on the PWM controller 35 , the measurement of the currents 30 and 31, respectively I 1 , I 2 in the current detection unit 15 via a common current measuring element 14 , be it a shunt or be it a compensation converter. The pulse pauses 58 of the PWM signals 38 and 39 as center-aligned PWM signals 59 are dimensioned such that the other current can be measured in the pulse pauses of a current of the currents I 1 and I 2 and vice versa. For this purpose, the PWM range from 5% to 95% is set on the PWM controller 35 , which is assigned to the controller 32 of the multiphase converter 1 . The switch 29, which triggers the respective current measurement of current I 1 or I 2 in the illustration according to FIG. 3, is acted upon via the trigger signals 36 or 37 present on the output side of the PWM controller 35 . Synchronized to this control of the switch 29 , an "OR" logic element 40 acted upon by the trigger signals 36 or 37 is used to select one of the trigger signals at the sample and hold module 27 or at the A / D converter 28 arranged after it , As a result, the current measurement 16 on the current measuring element 14 of a current detection unit 15 is continuously between a half bridge 13 (P1) in coordination with the pulse pause lengths 58 of the PWM signals 38 and 39 , which are generated as center-aligned PWM signals 59 by the controller 35. switched to the half-bridge P3 operated in offset clocking 6 or in accordance with FIG. 2 from the half-bridge P1 to the half-bridge P4 etc.
Für mehrere Phasen als die in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten vier bzw. 6 Phasen, d. h. Halbbrücken 13 im Mehrphasenwandler ist der dem Mehrphasenwandler 1 jeweils zuge ordnete Regler 32 mit einer entsprechend größeren Anzahl von Reglerein- bzw. ausgängen auszulegen. Die in solchen Schaltungsanordnungen die Kosten erhöhenden Schaltungsele mente wie zum Beispiel Strommeßglied, A/D-Wandler und Auswerteschaltung reduzieren sich mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens um die Hälfte. For several phases than the four or six phases shown in FIG. 1 or FIG. 2, ie half bridges 13 in the multi-phase converter, the controller 32 assigned to the multi-phase converter 1 is to be designed with a correspondingly larger number of controller inputs and outputs. The circuit elements which increase the costs in such circuit arrangements, for example a current measuring element, A / D converter and evaluation circuit, are reduced by half by means of the method proposed according to the invention.
11
Mehrphasenwandler
Multiphase converter
22
Eingangsseite (U1 Input side (U 1
)
)
33
Ausgangsseite (U2 Output side (U 2
)
)
44
Eingangskapazität
input capacitance
55
Ausgangskapazität
output capacity
66
versetzte Taktung
offset clocking
77
Entkopplungsinduktivität
P1 Phase
P2 Phase
P3 Phase
P4 Phase
P5 Phase
P6 Phase
Decoupling
P1 phase
P2 phase
P3 phase
P4 phase
P5 phase
P6 phase
88th
Transistor
transistor
99
Transistorbasis
transistor base
1010
Sperrdiode
blocking diode
1111
High-Side
High Side
1212
Low-Side
Low Side
1313
Halbbrücke
half bridge
1414
Strommeßelement
current sensing
1515
Stromerfassungseinheit
Current detection unit
1616
Strommessung
current measurement
1717
Widerstand
resistance
2020
Überwachungsbaustein
monitoring module
2121
Maximalwertvorgabe
Maximum value input
2222
Operationsverstärker
operational amplifiers
2323
Fehlersignal
error signal
2424
Abgriffspunkt
tapping
2525
Kapazität
capacity
2626
Schalter
switch
2727
Sample & Hold-Baustein
Sample & Hold module
2828
A/D-Wandler
A / D converter
2929
Schalter
switch
3030
Strom I1
Current I 1
3131
Strom I2
Current I 2
3232
Regler (µP)
Controller (µP)
3333
11
. PWM-Steuergröße
, PWM control Size
3434
22
. PWM-Steuergröße
, PWM control Size
3535
PWM-Regler
PWM controller
3636
11
. Triggersignal
, trigger signal
3737
22
. Triggersignal
, trigger signal
3838
PWM 1-Signal
PWM 1 signal
3939
PWM 2-Signal
PWM 2 signal
4040
"ODER"-Verknüpfung
"Or link
5050
Steuerspannung USt
Control voltage U St
5151
Referenzspannung URef
Reference voltage U Ref
5252
abfallende Flanke
falling edge
5353
ansteigende Flanke
rising edge
5454
Schaltpunkt
switching point
5555
digitaler Schalter
digital switch
5656
11
. Steuerspannungsniveau
57. , Control voltage level
57th
22
. Steuerspannungsniveau
, Control voltage level
5858
Pulspause
pulse pause
5959
Center-Aligned PWM-Signal
Center-aligned PWM signal
6060
Versetzung
transfer
6161
Pulsdauer
pulse duration
7070
Triggerspannung UTrigger
Trigger voltage U trigger
7171
11
. Triggerspannungsniveau
, Trigger voltage level
7272
22
. Triggerspannungsniveau
, Trigger voltage level
7373
Triggersignalpause
Trigger signal pause
7474
Triggersignaldauer
Trigger signal duration
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2001112820 DE10112820A1 (en) | 2001-03-16 | 2001-03-16 | Measuring currents in multi-phase converters involves performing a current or voltage measurements on pairs of half bridges combined to form current measurement units |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE2001112820 DE10112820A1 (en) | 2001-03-16 | 2001-03-16 | Measuring currents in multi-phase converters involves performing a current or voltage measurements on pairs of half bridges combined to form current measurement units |
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Family Applications (1)
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