DE102007012497A1

DE102007012497A1 - Aktive Ausgleichsschaltungsmodule, Systeme und Kondensatorvorrichtungen

Info

Publication number: DE102007012497A1
Application number: DE102007012497A
Authority: DE
Inventors: Frank Anthony Pleasanton Doljack
Original assignee: Cooper Technologies Co
Current assignee: Cooper Technologies Co
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2007-12-13
Also published as: CA2581813A1; TW200807875A; GB2436936A; TWI418144B; US7599167B2; GB0705016D0; CA2581813C; US20080007891A1; CN101093982B; CN101093982A

Abstract

Schaltungsmodule, Systeme und Vorrichtungen zum Steuern von Spannungen an Kondensatoren.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNG
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein aktive Ausgleichsschaltungen für Kondensatoren und Verfahren zu ihrer Herstellung. Genauer betrifft die Erfindung einen Modul, der auf einer aktiven Ausgleichsschaltung für Kondensatoren beruht, die in einer Serienanordnung gestapelt sind.
Ein Kondensator wird oft mit einem maximalen Betriebsspannungsnennwert entwickelt, wobei ein Betrieb über diesem maximalen Betriebsspannungsnennwert im Allgemeinen zu einem zu starken Leckstrom, einer nachfolgenden Gaserzeugung und schließlich zu einem Ausfall des Kondensators führt. Um Kapazitäten für Anwendungen höherer Spannung aufbauen zu können, sind Kondensatoren mit einem identischen Wert und Kennwert in einer Serienanordnung gestapelt. Während des Ladens und auch nach dem Laden der Kondensatoren teilt sich die Gesamtspannung entlang jedem Kondensator in dem Stapel gleich auf, solange die Kapazitätswerte jedes Kondensators identisch bleiben. Wenn das Laden im Wesentlichen vollständig ist und Gleichgewichtszustände in dem Stapel erreicht sind, teilt sich die Spannung gleichmäßig entlang jedem Kondensator fortgesetzt auf, solange der Leckstrom jedes Kondensators gleich ist. In der Summe haben ungleiche Spannungen an den Kondensatoren in einer solchen Serienanordnung im Allgemeinen zwei Ursachen: 1) ungleiche Kapazitätswerte; 2) ungleichen Gleichgewichtsleckstrom.
Mehrere Lösungen sind herkömmlich implementiert worden, um die Steuerung der Spannungsungleichgewichte aufgrund ungleicher Kapazitätswerte oder aufgrund eines ungleichen Gleichgewichtsleckstroms zu versuchen. In einer Lösung wird eine Technik verwendet, die als passives Ausgleichen bekannt ist. Passives Ausgleichen beruht auf der Verwendung von passiven Elementen, um die Spannungen unter den Kondensatoren in dem Stapel gleichzumachen. Typischerweise enthält dies das Verbinden von Widerständen gleichen Werts parallel zu den Kondensatoren. Obwohl ein passives Ausgleichen anfangs arbeiten kann, hat das passive Ausgleichen den Nachteil, dass es Spannungsungleichgewichte aufgrund von Änderungen der Kapazitätswerte oder der Leckströme mit der Zeit nicht ausgleichen kann.
In einer anderen Lösung wird eine Technik verwendet, die als aktives Ausgleichen bekannt ist. Aktives Ausgleichen umfasst die Verbindung aktiver Elemente, um die Spannungen unter Kondensatoren gleichzumachen. Obwohl diese Technik verwendet werden kann, Spannungsungleichgewichte mit der Zeit abzugleichen, ist die herkömmliche Implementation dieser aktiven Vorrichtungen oft aufwendig und teuer.
Dementsprechend besteht ein Bedürfnis dafür, eine verbesserte Vorrichtung und entsprechende Verfahren bereitzustellen, die einfacher und weniger teuer in ihrer Implementierung sind und die Spannungsungleichgewichte zwischen Kondensatoren steuern können, die in einer Serienanordnung gestapelt sind, wodurch die Lebenserwartung der Kondensatoren und die elektrischen Eigenschaften verbessert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt ein aktives Ausgleichssystem, das eine Vielzahl von Kondensatoren enthält, die mit einem aktiven Aus gleichsmodul in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gekoppelt sind;
1B zeigt ein aktives Ausgleichssystem, das eine Vielzahl von Kondensatoren enthält, die mit einem aktiven Ausgleichsmodul in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gekoppelt sind;
2 zeigt ein aktives Ausgleichssystem, das eine Vielzahl von Kondensatoren enthält, die mit vielzähligen, aktiven Ausgleichsmodulen in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gekoppelt sind;
3 zeigt ein aktives Ausgleichssystem, das eine Vielzahl von Kondensatoren enthält, die mit vielzähligen, aktiven. Ausgleichsmodulen in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gekoppelt sind;
4A zeigt eine seitliche Ansicht einer Kondensatorvorrichtungspackung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4B zeigt eine Draufsicht auf die Kondensatorvorrichtungspackung in 4A;
5A zeigt eine Seitenansicht einer Kondensatorvorrichtungspackung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5B zeigt eine Bodensicht der Kondensatorvorrichtungspackung in 5A;
6A zeigt eine Seitenansicht einer Kondensatorvorrichtungspackung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6B zeigt eine Draufsicht auf die Kondensatorvorrichtungspackung in 6A;
6C zeigt eine Seitenansicht der Kondensatorvorrichtungspackung in 6A, die in einem Gießmaterial eingekapselt ist;
7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines aktiven Ausgleichssystems, das eine Vielzahl von Kondensatoren enthält, die mit vielzähligen, aktiven Ausgleichsmodulen in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gekoppelt sind;
8 zeigt ein aktives Ausgleichsmodul für das System, das in 7 gezeigt ist;
9 zeigt ein weiteres aktives Ausgleichsmodul für das System, das in 7 gezeigt ist;
10 zeigt ein aktives Ausgleichssystem, das Module hat, die in 9 gezeigt sind;
11A und 11B zeigen ein aktives Ausgleichssystem, das Kombinationen der Module hat, die in 8 und 9 gezeigt sind;
12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines aktiven Ausgleichssystems, das eine Vielzahl von Kondensatoren hat, die mit vielzähligen, aktiven Ausgleichsmodulen in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gekoppelt sind;
13 zeigt ein aktives Ausgleichsmodul für das System, das in 12 gezeigt ist;
14 zeigt weitere, aktive Ausgleichsmodule für das System, das in 12 gezeigt ist;
15 zeigt ein aktives Ausgleichssystem, das Module hat, die in 14 gezeigt sind;
16 zeigt ein aktives Ausgleichssystem, das Kombinationen von Modulen hat, die in 13 und 14 gezeigt sind;
17A und 17B zeigen ein aktives Ausgleichssystem, das eine Kombination aus Modulen hat, die in 8 und 13 gezeigt sind;
18A und 18B zeigen ein aktives Ausgleichssystem, das eine Kombination aus Modulen hat, die in 9 und 14 gezeigt sind;
19 zeigt eine weitere Ausführungsform eines aktiven Ausgleichsmoduls;
20 zeigt ein aktives Ausgleichssystem, das Module von 19 hat;
21 zeigt ein Kondensatorschutzsystem, das die Module von 8 und 9 hat, die parallel verbunden sind;
22 zeigt ein alternatives System zu dem Kondensatorschutzsystem, das in 21 gezeigt ist;
23 zeigt ein Kondensatorschutzsystem, das die Module von 8 hat, die parallel verbunden sind;
24 zeigt ein alternatives System zu dem Kondensatorschutzsystem, das in 23 gezeigt ist;
25A, 25B, 25C, 25D zeigt Schutzschaltungen mit Hilfsvorrichtungen;
26A, 26B, 26C, 26D zeigt weitere Schutzschaltungen mit Hilfsvorrichtungen;
27 zeigt eine weitere Schutzschaltung mit einer Hilfsvorrichtung;
28 ist eine Explosionsansicht eines beispielhaften Ausgleichsmoduls, der in eine Kondensatorvorrichtung integriert ist;
29 zeigt eine aktive Komponentenanordnung für eine Kondensatorvorrichtung, die mit einem Ausgleichsmodul integriert ist;
30 zeigt eine Komponentensubanordnung für die Anordnung, die in 29 gezeigt ist; und
31 ist eine Explosionsansicht einer alternativen Ausführungsform eines exemplarischen Ausgleichsmoduls, der in eine Kondensatorvorrichtung integriert ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird im Detail Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung genommen. Beispiele der bevorzugten Ausführungsformen sind in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit diesen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, ist es verständlich, dass nicht beabsichtigt ist, dass die Erfindung auf diese bevorzugten Ausführungsformen beschränkt wird. Im Unterschied hierzu ist es beabsichtigt, dass alle Alternativen, Modifika tionen und Äquivalente abgedeckt werden, die innerhalb des Prinzips und des Bereichs der Erfindung enthalten sein können, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert ist. In der nachfolgenden Beschreibung sind vielzählige, spezifische Einzelheiten erläutert, um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitstellen zu können. Die vorliegende Erfindung kann ohne einige dieser oder ohne all diese speziellen Eigenschaften ausgeführt werden. In anderen Hinsichten wurden bestens bekannte Prozessoperationen nicht im Detail beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötigerweise zu verschleiern.
Die vorliegende Erfindung stellt aktive Ausgleichsmodule, die eine aktive Ausgleichsschaltung enthalten, um Spannungsungleichgewichte zwischen Kondensatoren zu steuern, die in einer Serienanordnung gestapelt sind, und Verfahren für ihre Herstellung bereit. Diese Module sind einfach und kostengünstig herzustellen und universell verwendbar. Sie können alleine verwendet werden oder sie können miteinander kombiniert werden, um eine aktive Multimodul-Ausgleichsschaltung für eine Vielzahl von Kondensatoren auszubilden, die in einer Serienanordnung gestapelt sind. Diese Module können zudem in entweder einer Nebeneinander-Topologie oder einer überlappenden Topologie ausgerichtet sein.
1. Einführung
Wie früher erwähnt wurde, haben ungleiche Spannungen an Kondensatoren in einer Serienanordnung im Allgemeinen zwei Ursachen: 1) ungleiche Kapazitätswerte; 2) einen ungleichen Gleichgewichtsleckstrom. Ungleiche Kapazitätswerte können aus Herstellungsvariationen oder einer Alterung mit der Zeit aufgrund der Verwendung der Kondensatoren resultieren. Ungleiche Kapazitätswerte können Kondensatoren mit niedrigeren Kapazitätswerten verursachen, die unter ihren maximalen Betriebs spannungen arbeiten, was wiederum zu zu starken Leckströmen beitragen kann.
Auch wenn die Kapazitätswerte gut übereinstimmen, kann jedoch eine Leckstromfehlanpassung noch verursachen, dass Oberspannungen an Kondensatoren in dem Stapel während des Gleichgewichts in dem im wesentlichen geladenen Zustand auftreten. Ein Kondensator mit einem Leckstrom, der sehr viel größer als der Durchschnitt seiner Nachbarn ist, kann seine Nachbarn über ihre maximale Betriebsspannung hinaus laden, was gegebenenfalls in einem Ausfall der beeinflussten Kondensatoren resultiert. Das liegt daran, dass Leckströme in einem Gleichgewichtszustand die Tendenz haben, sich selbst auszugleichen. Die Kondensatoren mit niedrigem Leckstrom werden deshalb Ladung beim Anstieg ihrer Spannungen anhäufen. Nachfolgend steigen die Leckströme der beeinflussten Kondensatoren an und gleichen sich gegebenenfalls mit dem Leckstrom des diskrepanten Kondensators aus.
Obwohl eine Vielzahl von Kondensatoren Spannungsungleichgewichte aufweisen können, sind Kondensatoren, die dazu neigen, eher beeinflusst zu werden, Kondensatoren der elektrolytischen Technologie. Dies liegt daran, dass Kondensatoren in elektrolytischer Technologie für gewöhnlich große Leckströme haben, die mit ihnen verbunden sind. Zudem haben Kondensatoren der Elektrolyttechnologie für gewöhnlich hohe Kapazitätswerte, wobei sie populär als Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren bezeichnet werden.
II. Aktiver Ausgleichsmodul
Um Spannungsungleichgewichte zwischen Kondensatoren zu steuern, die in einer Serienanordnung gestapelt sind, wird in der vorliegenden Erfindung ein aktiver Ausgleichsmodul bereitgestellt. Ein Zweck des aktiven Ausgleichsmoduls besteht dar in, eine gleiche Spannung an jedem Kondensator in dem Serienstapel der Kondensatoren aufrechtzuerhalten, wenn der Kondensatorstapel im wesentlichen voll geladen ist, was in einem Gleichgewichtszustand auftritt, in dem relativ kein Laden oder Entladen an dem Serienstapel der Kondensatoren von einer verbundenen Spannungsquelle oder Last durchgeführt wird. Wie unten stehend erläutert wird, ist der aktive Ausgleichsmodul auf jeden Serienstapel von Kondensatoren anwendbar, der zwei oder mehr Kondensatoren hat.
Um zu beginnen, zeigen 1A und 1B jeweils ein aktives Ausgleichssystem 100 bzw. 120, die eine Vielzahl von Kondensatoren 102 (z.B. 102a, 102b) enthalten, die mit einem aktiven Ausgleichsmodul 104 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gekoppelt sind. Das Koppeln zwischen der Vielzahl von Kondensatoren 102 und dem aktiven Ausgleichsmodul 104 wird an drei Anschlüssen 106 (z.B. 106a, 106b, 106c) durchgeführt. Der Anschluss 106a verbindet eine positive Platte des Kondensators 102a. Der Anschluss 106b verbindet mit einer negativen Platte des Kondensators 102a und auch mit einer positiven Platte des Kondensators 102b. Der Anschluss 106c verbindet mit einer negativen Platte des Kondensators 102b. Wie gezeigt ist, sind die Kondensatoren 102a und 102b in einer Serienanordnung verbunden/gestapelt, wo eine Spannung durch Verbindungen 105a und 105b zugeführt wird. Die Verbindungen 105a und 105b können mit einer Spannungsquelle und/oder einer Last zur Energieversorgung verbunden sein.
Im Allgemeinen enthält der aktive Ausgleichsmodul 104 ein aktives Element. In einer Ausführungsform, wie in 1A gezeigt ist, ist das aktive Element eine Operationsverstärkervorrichtung 112. Eine Operationsverstärkervorrichtung 112 enthält einen Operationsverstärker 113, der als ein Spannungsfolger ausgelegt ist. Das heißt, eine Operationsverstärkerschal tung, die eine Spannungsrückkopplung verwendet, wobei die Schaltung eine hohe Eingangsimpedanz, eine niedrige Ausgangsimpedanz und eine Spannungsverstärkung von 1 hat. Wenn der Ausgang 144 des Operationsverstärkers 113 mit seinem invertierenden (–) Eingang 116 verbunden ist, sucht die Ausgangsspannung danach, welcher Wert bzw. Pegel notwendig ist, um die Spannung des invertierenden Eingangs mit der Spannung auszugleichen, die an dem nicht-invertierenden (+) Eingang 118 anliegt. Wenn diese Rückkoppelverbindung direkt ist, wie in einem geraden Drahtstück, folgt "die Ausgangsspannung" im wesentlichen der Spannung des nichtinvertierenden Eingangs.
Um die Spannungen der Kondensatoren im wesentlichen, auszugleichen, ist der Eingang des Operationsverstärkers 113 mit einem Paar von Spannungsteilungswiderständen 108a und 108b verbunden, wobei jeder Widerstand parallel mit einem entsprechenden Kondensator (z.B. 102a, 102b) ist. Die Spannungsteilungswiderstände 108a und 108b haben den gleichen Widerstandswert. Der Wert des Widerstands wird durch einen Optimierungsalgorithmus ausgewählt, der versucht, eine Überspannung in dem Stapel zu verhindern, wenn der Leckwert des schlechtesten Falls gegeben ist, und der gleichzeitig versucht, den zusätzlichen Leckstrom bzw. Kriechstrom zu minimieren, den die Spannungsteilungswiderstände einführen können.
Der Operationsverstärker 113 und die Spannungsteilungswiderstände 108a und 108b arbeiten an dem zwischenliegenden Knoten 119 des Paares von Kondensatoren 102a und 102b. Strom fließt aus dem Knoten heraus oder fließt in den Knoten hinein, um die Spannung, die sich an jedem Kondensator aufteilt, gemäß der Teilung aufzuteilen, die durch die beiden Spannungsteilungswiderstände 108a und 108b festgelegt wird. Strom fließt heraus oder hinein, indem Ladung wie erforderlich von entweder der oberen (positiven) Platte des Kondensators 102a oder der unteren (negativen) Platte des Kondensators 102b abgezogen wird, da sich die Spannungsversorgungsverbindungen V+ und V– des Operationsverstärkers jeweils auf diese Punkte beziehen.
Optional kann ein Strombegrenzungswiderstand 108c an dem Ausgang des Operationsverstärkers, wie in 1A gezeigt ist, angelegt werden. Das aktive Element kann jedoch bereits einen strombegrenzenden Kurzschlussschutz enthalten. Zum Beispiel kann der Operationsverstärker 113 mit einem strombegrenzenden Kurzschlussschutz integriert sein. Ein weiterer optionaler Widerstand ist der Rückkoppelwiderstand 108d. Der Rückkoppelwiderstand 108d kann verwendet werden, um den Eingangs-Offsetstrom an den Eingängen auszugleichen. Im Allgemeinen wird der Wert des Rückkoppelwiderstands 108d als die Parallelkombination der Spannungsteilungswiderstände 108a und 108b ausgewählt.
Obwohl ein Spannungsfolger durch Definition eine Spannungsverstärkung von 1 hat, hat sein Zweck nichts mit der Verstärkung von Spannung zu tun, sondern vielmehr mit dem Verstärken einer Signalkapazität, um Strom einer Last (z.B. 102a, 102b) zuzuführen. Während der Entlade/Neulade-Dauer der Spitzenleistungsanforderungen, gibt somit die Implementierung des Operationsverstärkers des aktiven Ausgleichsmoduls 104 große Stromwerte an die Kondensatoren ab oder nimmt große Stromwerte von den Kondensatoren auf. Zudem kann ein Ladungsausgleich gegen fehlangepasste Leckströme während der Zeitdauern des stabilen Zustands und des Gleichgewichtszustands der vollen Ladung realisiert werden. Beide Ursachen der Spannungsungleichgewichte, Kapazitätsänderung und fehlangepasste Leckströme, können somit effektiv gesteuert werden.
Eine weitere Ausführungsform des aktiven Elements in dem aktiven Ausgleichsmodul 104 ist in 1B gezeigt. Wie gezeigt ist, ist das aktive Element eine fliegende bzw. geschaltete Kondensatorvorrichtung 122. Im Allgemeinen verwendet die geschaltete Kondensatorvorrichtung 122 eine Steuereinheit 123, um ein synchrones Schalten von Schaltern 124a und 124b derart zu steuern, dass eine Verbindung mit dem geschalteten bzw. fliegenden Kondensator 102c zwischen einer Vielzahl von Kondensatoren 102 (z.B. 102a und 102b) oszillieren kann. Genauer müssen die Schalter 124a und 124b erst ausschalten bzw. unterbrechen, bevor sie einschalten, und synchron miteinander sein. Das heißt, dass beide erst ausschalten bzw. unterbrechen müssen, bevor sie einschalten können. Ein Schalter kann nicht dem anderen vorauseilen und einschalten, während der nacheilende Schalter noch nicht seinen Kontakt unterbrochen bzw. ausgeschaltet hat. Die Verbindung zwischen dem geschalteten Kondensator 102 und der Vielzahl von Kondensatoren ermöglicht, dass eine Ladung dazwischen aufgenommen/abgegeben wird. Mit der Zeit kann das Ausgleichen der Spannungen zwischen den vielzähligen Kondensatoren erreicht werden.
Es ist wichtig, anzumerken, dass keine induktiven Elemente (d.h. Spulen), die relativ teuer sind, in dem aktiven Ausgleichsmodul 104 verwendet werden. Zudem kann die Spannungsversorgung der aktiven Elemente (z.B. 112, 122) in dem aktiven Ausgleichsmodul 104 während des Ruhestroms ausgeführt werden, der in dem System vorhanden ist, und/oder sich auf ein Paar von Kondensatoren beziehen (z.B. durch Verbinden von V+ des Operationsverstärkers 113/der Steuereinheit 123 mit der positiven Platte des Kondensators 102a; durch Verbinden von V– des Operationsverstärkers 113/der Steuereinheit 123 mit der negativen Platte des Kondensators 102b). Im Ergebnis kann jeder aktive Ausgleichsmodul 104 selbst tätig sein oder in Kombination mit einem anderen arbeiten, wie als Nächstes in 2 unten stehend beschrieben wird.
Die aktiven Ausgleichsmodule können alleine verwendet werden oder sie können miteinander kombiniert werden, um eine aktive Multimodul-Ausgleichsschaltung für eine Vielzahl von Kondensatoren auszubilden, die in einer Serienanordnung gestapelt sind. Zum Beispiel zeigt 2 ein aktives Ausgleichssystem 200, das eine Vielzahl von Kondensatoren 202 (z.B. C1-C6) enthält, die mit einer Vielzahl von aktiven Ausgleichsmodulen 204 (z.B. 204a-e) in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen gekoppelt sind. Die Kondensatoren können mit einer Spannungsversorgung und/oder einer Last durch Verbindungen 205a und 205b verbunden sein. Die aktiven Ausgleichsmodule 204 können irgendein Modul sein, der auf einer aktiven Ausgleichsschaltung (z.B. 104) für Kondensatoren beruht, die in einer Serienanordnung gestapelt sind. Für ein gegebenes Paar von Kondensatoren ist der aktive Ausgleichsmodul 204 typischerweise als eine Dreianschlussvorrichtung definiert, die an der oberen Platte des oberen Kondensators, dem Zwischenknoten und an der unteren Platte des unteren Kondensators angebracht ist. Vielzählige aktive Ausgleichsmodule 204 können in einer Seite-an-Seite-Topologie ausgerichtet sein und/oder in einer überlappenden Topologie, wie in 2 gezeigt ist, ausgerichtet sein.
Eine Synchronisation zwischen vielzähligen Modulen kann bereitgestellt werden. Beide Operationsverstärker und fliegende Kondensatorvorrichtungen machen jedoch im Allgemeinen die Synchronisation optional. Das liegt daran, dass jede Operationsverstärkervorrichtung an einem unterschiedlichen Zwischenknoten arbeitet, wohingegen jede fliegende bzw. geschaltete Kondensatorvorrichtung dem fliegenden Kondensator ermöglicht, dass er sequenziell parallel zu irgendeiner Anzahl von Kondensatoren für den Spannungsausgleich verbunden ist.
Im Allgemeinen ist ein aktiver Ausgleichsmodul 204 für ein Paar von Kondensatoren erforderlich. In einer überlappenden Topologie bzw. Struktur sind jedoch zwei aktive Ausgleichsmodule 204 für diese Kondensatoren erforderlich, sind drei aktive Ausgleichsmodule 204 für vier Kondensatoren erfor derlich usw. In einer Ausführungsform beruht die überlappende Topologie darauf, dass jeder Kondensator zwischen dem obersten Kondensator und dem untersten Kondensator durch zwei aktive Ausgleichsmodule 204 betrieben wird.
Ein Vorteil der überlappenden Topologie zwingt den gesamten Kondensatorstapel dazu, die Spannung gleich zu verteilen. Zudem kann eine transitive Beziehung zwischen den Kondensatoren in dem Stapel realisiert werden. Man betrachte zum Beispiel zwei überlappende Module und drei Kondensatoren A, B und C, die in einer Serienanordnung gestapelt sind. Ein Modul kann die Spannung von A dazu zwingen, gleich der Spannung von B zu sein. Der andere Modul kann die Spannung von B dazu zwingen, gleich der Spannung von C zu sein. Im Ergebnis ist die Spannung von A gleich der Spannung von C.
BEISPIEL
Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung besser verstehen zu können, liefert das nachfolgende Beispiel Details, die ein aktives Ausgleichssystem mit aktiven Ausgleichsmodulen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung betreffen. Es wird darauf hingewiesen, dass das Nachfolgende nur beispielhaft ist und dass die Erfindung nicht auf die Einzelheiten beschränkt ist, die in diesem Beispiel erläutert werden.
3 zeigt ein aktives Ausgleichssystem 300, das eine Vielzahl von Kondensatoren 302 (z.B. 302a, 302b, 302d) enthält, die mit vielzähligen, aktiven Ausgleichsmodulen 304 (z.B. 304a, 304b) gekoppelt sind. 3 zeigt das Konzept, das durch das System 120 und das System 200 eingeführt wird. Wie gezeigt ist, implementieren die aktiven Ausgleichsmodule 304a und 304b fliegende bzw. geschaltete Kondensatorvorrichtungen. Gemäß dem aktiven Ausgleichsmodul 304a enthält die fliegende Kondensatorvorrichtung einen geschalteten Spannungs- Wandler 326a in Verbindung mit einem fliegenden bzw. geschalteten Kondensator 302c bzw. Flying Capacitor. Andererseits enthält die fliegende Kondensatorvorrichtung für den aktiven Ausgleichsmodul 304b einen geschalteten Spannungswandler 326b in Verbindung mit einem fliegenden Kondensator 302e.
Theoretisch gesprochen zwingt der geschaltete Spannungswandler 326a das Paar von Kondensatoren 302a und 302b im allgemeinen dazu, auf gleiche Spannungen zu laden. Um dies zu erreichen, transferiert der geschaltete Kondensator 302c Ladung zwischen den Kondensatoren 302a und 302b, bis ihre Spannungen gleich sind. Der geschaltete Spannungswandler 326b und sein entsprechender, fliegender Kondensator 302e führen die gleiche Funktion an dem Paar von Kondensatoren 302b und 302d durch. Daraus folgt, dass die Spannung an jedem Kondensator mit V.sup.+/3 im Gleichgewicht ist.
Für experimentelle Zwecke sind die geschalteten Spannungswandler IC1 (d.h. 326a) und IC2 (d.h. 326b) ein MAX660, der von der Maxim Integrated Products of Sunnyvale, Kalifornien, erhältlich ist. Die fliegenden Kondensatoren C1 (d.h. 302c) und C2 (d.h. 302e) sind 10 Mikrofarad Tantalkondensatoren mit Arbeitsnennspannungen von 25 VDC. V.sup.+ beträgt 7,8 VDC, die durch einen Strombegrenzungs- und Strommesswiderstand R1 angelegt wird. Die Kondensatoren C3, C4 und C5 sind B-Serien-Kondensatoren mit 22 Farad, mit einem Nennwert von 2,5 VDC. Ein Widerstand R2 beträgt 220 Ohm und wurde an einen der Kondensatoren in dem Stapel angelegt, um einen schwer leckenden Kondensator zu simulieren.
In dem Experiment wurden VC1+, VC1–, VC2+ und VC2– gemessen, um sicherzustellen, dass die geschalteten Spannungswandler IC1 und IC2 richtig arbeiteten. VC3, VC4, VC5 und IR1 (Strom in R1) wurden auch gemessen. Die Spannungen wurden dann über die Zeit überwacht, um zu bestimmen, wie gut der Aufbau einen Spannungsausgleich erreichte.
Die Testkondensatoren C3, C4, C5 wurden für einen tatsächliche Kapazitätswert mit einem konstanten Strom von 1 Ampere gemessen. Die Zeit, die während des Ladens/Entladens zwischen 0,5 Volt und 2,0 Volt abgelaufen war, wurde verwendet, um die Kapazität zu berechnen. Die Kapazitätswerte sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet.
Es wurde herausgefunden, dass IC1 und IC2 zuverlässig ihren internen Oszillator hochfahren, wenn die Spannung vom Stift 8 zum Stift 3 zwischen 2 und 2,5 Volt betrug. Der Oszillator startete manchmal nicht, außer der Stift 6 wurde wie gezeigt verbunden.
Das erste Experiment umfasste das Laden des Stapels, das Beobachten des Ausgleichs, das Anlegen von R2 an C3, das Beobachten des Ungleichgewichts, das sich ins Gleichgewicht bewegte, das Entfernen von R2 und das letztendliche Beobachten der Widerherstellung des Ausgleichs. Das zweite Experiment, umfasste das Anordnen von R2 an 04, das Beobachten des Ungleichgewichts, das Entfernen von R2 und das Beobachten der Wiederherstellung.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse. Die Zeiten sind die ungefähren Intervalle, die zwischen der Durchführung jeder Änderung und dem Messen von Werten abgelaufen sind.
Eine Überprüfung der Ergebnisse zeigt, dass der Aufbau den Ausgleich innerhalb von ungefähr 0,02 Volt antreibt. R2 gibt einen erheblichen Leckweg mit über 10 mA wieder. Das schlechteste Ungleichgewicht, was dieser verursachte, betrug nur eine um 0,07 Volt niedrigere Spannung an der "Leckstelle". In dem zweiten Fall war die Spannung um nur 0,03 Volt niedriger. Das Gesamtleck war jedoch in beiden Fällen unter 5 mA. Offensichtlich hat der Betrieb des fliegenden Kondensators die Leckladung zurück zu der gegenüberliegenden Platte der "Leckstelle" gebracht. Auf diese Art und Weise ist die Technik mit fliegendem Kondensator wirksamer als Nebenschlusselemente oder Quelle/Senke-Spannungsfolger, die für den aktiven Ausgleich verwendet werden.
III. Packen des aktiven Ausgleichsmoduls
Auf der Basis der Modularität des aktiven Ausgleichsmoduls kann eine Vielzahl von Kondensatorvorrichtungspackungen erhalten werden. Diese Packungen bzw. Gehäuse zeigen die Vielfältigkeit der aktiven Ausgleichsmodule der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel zeigt 4A eine seitliche Ansicht einer Kondensatorvorrichtungspackung 400 in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Andererseits zeigt 4B eine obere Ansicht der Kondensatorvorrichtungspackung 400.
Wie gezeigt ist, enthält die Kondensatorvorrichtungspackung 400 ein Paar von Kondensatoren 402, die zusammen mit einer Nebenplatine 404 auf der Oberseite der Hauptplatine 408 angebracht sind. Der Kondensator 402 kann in irgendeiner herkömmlichen Art und Weise gepackt sein, die für die spezielle Anwendung annehmbar ist. Zum Beispiel können die Kondensatoren vom gewickelten (gespulten) Typ innerhalb schützender Kunststoffbehälter sein. Eine aktive Ausgleichsschaltung 406 ist auf der Nebenplatine 404 enthalten. Sowohl die Nebenplatine 404 als auch die Hauptplatine 408 stellen eine Verbindungsmöglichkeit zwischen der aktiven Ausgleichsschaltung 406, den Kondensatoren 402 und äußeren Kontakten 410 (z.B. 105a, 105b, 205a, 205b) bereit, die an dem Boden der Hauptplatine 410 angebracht sind. Äußere Kontakte 410 werden für gewöhnlich aus einem elektrisch leitenden Material, zum Beispiel Kupfer, hergestellt und können für die Dauerhaftigkeit galvanisiert werden.
Im Allgemeinen kann jede Nebenplatine 404 genau eine aktive Ausgleichsschaltung 406 enthalten. Die Nebenplatine zusammen mit dem aktiven Ausgleichsmodul wird oft benachbart zu (z.B. zwischen) dem entsprechenden Paar der Kondensatoren 402 angeordnet, die der aktive Ausgleichsmodul aktiv ausgleicht. Jede aktive Ausgleichsschaltung 406 kann verwendet werden, um eine Kondensatorvorrichtungspackung 400 auszubilden. Typischerweise enthält jede aktive Ausgleichsschaltung 406 eine Schaltung, die ähnlich zu den aktiven Ausgleichsmodulen 104, 204 oder 304 sein kann. Die Nebenplatine 404 kann somit als ein aktiver Ausgleichsmodul in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung arbeiten.
Die Kondensatorvorrichtungspackung 400 kann auf irgendeine Anzahl von Kondensatoren 402 erweitert werden, die in einer Serienanordnung gestapelt sind. Um dies zu tun, können die Hauptplatine 408 und die äußeren Anschlüsse 410 erweitert wer den, um eine beliebige Anzahl von Kondensatoren 402 aufnehmen zu können. Zum Beispiel können für eine Serienkonfiguration mit drei Kondensatoren zwei entsprechende Nebenplatinen 404, die überlappende, aktive Ausgleichsschaltungen 406 haben, dort dazwischen angeordnet werden. Das heißt, dass jeder Kondensator 402 deshalb von dem benachbarten Kondensator durch eine Nebenplatine 404 getrennt werden kann. Im Allgemeinen sind alle Nebenplatinen 404 (aktive Ausgleichsmodule) identisch in Aufbau und Funktion. Aufgrund der Modularität der aktiven Ausgleichsmodule kann eine Nebenplatine (aktiver Ausgleichsmodul) gemäß einer Anzahl von zusätzlichen in Serie verbundenen Kondensatoren hinzugefügt werden.
Andere alternative Kondensatorvorrichtungspackungen können für die Implementierung der vorliegenden Erfindung angepasst werden. Zum Beispiel zeigt 5A eine seitliche Ansicht einer Kondensatorvorrichtungspackung 500 in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin 5B eine entsprechende untere Draufsicht der Kondensatorvorrichtungspackung 500 zeigt.
Die Kondensatorvorrichtungspackung 500 implementiert einen flexiblen Schaltungsaufbau und enthält einen Kondensator 502. Der Kondensator 502 wird im Allgemeinen verwendet, wenn eine Kondensatorvorrichtungspackung mit einem dünnen/niedrigen Profil gesucht wird. Der Kondensator 502 ist typischerweise ein Kondensator vom gefalteten Typ, wobei Kondensatorblätter innerhalb einer flexiblen Schutzhülle gefaltet sind. Vielzählige Kondensatoren können jedoch innerhalb des Kondensators 502 integriert sein. Zum Beispiel kann der Kondensator 502 eine Vielzahl von Kondensatoren enthalten, die in einer Serienanordnung gestapelt sind.
Der Kondensator 502 ist mit externen Anschlüssen 510 verbunden. In dieser Ausführungsform sind der Kondensator 502 und die externen Anschlüsse 510 im wesentlichen flach, rechteckig und flexibel in der Form. Die externen Anschlüsse 510 stellen eine elektrische Verbindung mit der Kondensatorvorrichtungspackung 500 bereit und können unter Verwendung irgendeines elektrisch leitenden Materials ausgebildet werden.
An den externen Anschlüssen 510 und in Verbindung damit ist ein aktiver Ausgleichsmodul 504 angebracht, der eine aktive Ausgleichsschaltung 506 hat. Typischerweise enthält die aktive Ausgleichsschaltung 504 eine Schaltung, die ähnlich zu den aktiven Ausgleichsmodulen 104, 204 oder 304 ist. Irgendein Material kann verwendet werden, um ein aktives Ausgleichsmodul 504 aufzubauen. Bevorzugt ist das Material, das verwendet wird, zu der Aufbauanwendung konsistent. Zum Beispiel kann ein flexibles Material, das leicht an externe Anschlüsse 510 angepasst werden kann, verwendet werden. Im Allgemeinen stellt der aktive Ausgleichsmodul 504 Verbindungen zwischen der aktiven Ausgleichsschaltung 506 und dem Kondensator 502 bereit.
Schließlich zeigt 6A eine seitliche Ansicht einer Kondensatorvorrichtungspackung 600 in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 6B eine obere Draufsicht der Kondensatorvorrichtungspackung 600 zeigt.
Wie gezeigt ist, ist ein Kondensator 602 zusammen mit einem aktiven Ausgleichsmodul 606 auf einer oberen Oberfläche eines Substrats 604 (z.B. Hauptplatine) angebracht. Das Substrat 604 besteht im Allgemeinen aus einem nicht-leitenden Material, zum Beispiel Keramik, Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material, wie sie Fachleuten im Stand der Technik bestens bekannt sind. Das Substrat 604 enthält ein Paar von Durchkontaktierungen 610 zum Verbinden mit Flächen, die auf seiner gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet sind. Das Substrat 604 enthält elektrische Leitungen (nicht gezeigt) zum Verbinden des Kondensators 602, des aktiven Ausgleichsmoduls 606 und der Durchkontaktierungen 610 miteinander in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Kondensatorvorrichtungspackung 600 kann somit leicht in einer elektrischen Vorrichtung (z.B. einem Zellentelefon) angebracht werden.
In Alternative kann die Kondensatorvorrichtungspackung 600 zudem für einen größeren Schutz eingekapselt sein. Zum Beispiel zeigt 6C eine seitliche Ansicht einer Kondensatorvorrichtungspackung 600, die in einem gegossenen Material eingekapselt ist. Irgendein herkömmliches Gießmaterial (zum Beispiel Kunststoff) kann verwendet werden. Vor dem Einkapseln kann, um einen Deckel 614 auszubilden, ein Substrat hinzugefügt werden, um die Kondensatorvorrichtungspackung 600 abzudecken. Das Substrat 612 kann jeden Abschnitt des Moduls 606, den Kondensator 602 und/oder das Substrat 604 abdecken und sich darüber erstrecken. Ähnlich kann das Gießmaterial irgendeinen Abschnitt des Moduls 606, des Kondensators 602 und/oder des Substrats 604 einkapseln. Wie bei dem Substrat 604 ist auch das Substrat 612 im Allgemeinen aus einem nicht-leitenden Material, zum Beispiel einer Keramik, einem Kunststoff oder irgendeinem geeigneten Material, wie es Fachleuten bekannt ist, zusammengesetzt. Der Zweck des Substrats 612 besteht darin, eine Strukturstabilität für die gekapselte Kondensatorvorrichtungspackung 600 bereitzustellen.
Die Packungen 400, 500 und 600 sind für Stromausfallanwendungen nützlich und sind einfach und nicht aufwendig unter Verwendung der aktiven Ausgleichsmodule der vorliegenden Erfindung als Komponenten aufgebaut. Viele der Komponenten zum Implementieren der vorliegenden Erfindung sind auch bereits verfügbare Lager- oder Standardkomponenten niedriger Kosten.
Die vorliegende Erfindung bietet viele Vorteile über herkömmliche Verfahren, insbesondere in dem Bereich der Super onensaoren. Da Superkondensator typischerweise eine maximale Betriebsspannung in einem Bereich von 2,3 Volt bis 2,7 Volt haben, werden aktive Elemente (z.B. die Operationsverstärkervorrichtung 112) mit einem niedrigen Ruhestrom beim Minimieren der Leckstromaufnahme in dem aktiven Ausgleichssystem verwendet. Die aktiven Ausgleichsmodule können auch auf der Basis der Anwendung skalierbar sein. Zum Beispiel Auswählen eines aktiven Elements auf der Basis des angenommenen Stromflusses des Systems. Zudem ermöglicht die Einfachheit eines Dreianschlussmoduls und einer niedrigen Komponentenanzahl weniger Verbindungen und eine einfachere Packungsintegration mit einer Vielzahl von Kondensatoren in einer Serienanordnung.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die aktiven Elemente (z.B. die Operationsverstärkervorrichtung 112, die fliegende Kondensatorvorrichtung 122) wahrscheinlich nicht und vielleicht niemals sehen, dass V+ und V– wesentlich die kombinierte Nennspannung ihrer entsprechenden Kondensatoren überschreiten, die in einigen Fällen insgesamt 5 Volt (2,5 Volt für jeden Kondensator eines entsprechenden Kondensatorpaars) ergibt. Dies liegt daran, wie die Stromversorgungsverbindungen des aktiven Elements ausgelegt werden (z.B. zwischen zwei Kondensatoren; 106a und 106c). Die Nennwerte der aktiven Elemente kann deshalb insgesamt einzeln auf der Basis der kombinierten Nennspannung ihrer entsprechenden Kondensatoren ausgewählt werden. Bei großen Stapeln, bei denen die Spannung zwischen dem obersten Kondensator und dem untersten Kondensator groß wird, können deshalb aktive Elemente mit niedriger Spannung und niedrigen Kosten fortgesetzt dazwischen implementiert werden.
Ein noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist noch die Fähigkeit, den Leckstrom während des Gleichgewichtszustands (während des Wartezustands bzw. Standby) auszugleichen. Dies ist wichtig, da Kondensatoren ihre meiste Zeit im Standby verbringen, darauf wartend, eine Last zu versorgen. Irgendwelche Leckstromfehlanpassungen während dieser Zeit verursachen deshalb, dass Überspannungszustände auch vorhanden sein können. Anhaltende Leckstromfehlanpassung während des Gleichgewichtszustands können deshalb signifikant die Lebensdauer der Kondensatoren reduzieren.
IV. Schutzmodule und Systeme mit aktivem Element
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden Kondensatorschutzmodule bereitgestellt, die ungleich den zuvor erwähnten Ausgleichsmodulen zum Schutz eines Kondensator-Serienstapels mit zwei oder mehr Kondensatoren, mit zwei oder mehr Kondensatoren, die parallel verbunden sind, oder sogar mit Einzelkondensatoren gegenüber Spannungen gleichsam anwendbar sind, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten. Diese Schutzmodule können einen Ausgleichseffekt für Kondensatoren mit ungefähr gleichen Spannungsnennwerten erreichen, wie unten stehend erläutert wird. Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung werden als besonders vorteilhaft für Gleichstromschaltungstopologien betrachtet, die Schaltungselemente verwenden, um Ladung in einer quasi statischen Art und Weise zu bewegen, im Unterschied zu Wechselstromtopologien, worin eine Ladung von einer Quelle entnommen wird oder von einem Kondensator befördert wird, zu anderen unter Verwendung von wirksamen Wechselstromtechniken, wie jenen, die in Schaltmoduswandlern gefunden werden.
7 zeigt eine exemplarische Ausführungsform eines aktiven Ausgleichssystems 700 für eine Vielzahl von Kondensatoren 702 (z.B. Kondensatoren 702a und 702b), die jeweils einem exemplarischen Schutzmodul 704a bzw. 704b entsprechen. Ein Koppeln zwischen den Kondensatoren 702 wird an drei Anschlüssen 706 (z.B. 706a, 706b, 706c) ausgeführt. Der Anschluss 706a verbindet mit einer positiven Platte des Kondensators 702a.
Der Anschluss 706b verbindet mit einer negativen Platte des Kondensators 702a und auch mit einer positiven Platte des Kondensators 702b. Der Anschluss 706c verbindet mit einer negativen Platte des Kondensators 702b. Wie gezeigt ist, sind die Kondensatoren 702a und 702b in einer Serienanordnung verbunden/gestapelt, worin eine Spannung durch Verbindungen 705a und 705b angelegt wird. Eine Verbindung 705a und 705b kann mit einer Spannungsversorgungsquelle und/oder einer Last zum Versorgen verbunden sein.
Jeder Schutzmodul 704a, 704b enthält ein jeweiliges aktives Element 708 (z.B. Elemente 708a, 708b), die unten stehend beschrieben werden. Die aktiven Elemente 708 sind an den Anschlüssen 710 (z.B. den Anschlüssen 710a, 710b, 710c) verbunden. Widerstände 712 (z.B. Widerstände 712a, 712b, 712c, 712d) sind bereitgestellt und mit den aktiven Elementen 708, wie unten stehend erläutert wird, verbunden und bestimmen das Verhalten der aktiven Elemente 708, um eine Spannung an jedem Kondensator 702 bei einem vorgegebenen Schwellenwert oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes aufrechtzuerhalten.
8 zeigt einen der aktiven Ausgleichsmodule 704 für das System 700, das in 7 gezeigt ist. In einer exemplarischen Ausführungsform ist das aktive Element 708 als ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET)-Element vom n-Typ bekannt, das eine Source 714, eine Drain 716 und ein Gate 718 hat. Das Gate 718 ist mit dem Anschluss 710a und dem Anschluss 710b derart verbunden, dass die Spannung an dem Kondensator 702 an dem Gate 718 des MOSFET-Elements 708 angeordnet ist. Der Fluss der Elektronen zwischen der Source 714 und der Drain 718 wird durch die Spannung gesteuert, die an das Gate 718 angelegt wird.
In einer erläuternden Ausführungsform ist das MOSFET-Element 708 ein MOSFET vom Anreicherungstyp und besitzt einen positiven Gate-zu-Source-Schwellenwert V_{gs (Schwellenwert)}. Wenn ein positiver Wert der Gate-zu-Source-Spannung (V_gs) auf diesen Wert ansteigt und diesen Wert überschreitet, steigt der Drain-zu-Source-Strom schnell an, wenn ein positiver Wert der Drain-zu-Source-Spannung gleichzeitig vorhanden ist. Die Rate des Stromanstiegs pro Einheitsänderung der Gate-Spannung wird als Vorwärtstranskonduktanz der Vorrichtung, gfs, bezeichnet. Wie es für Fachleute offensichtlich ist, kann der Vorwärtstranskonduktanz von kleinen Werten (zum Beispiel ca. 0,1) bis zu großen Werten (zum Beispiel ca. 100) in Abhängigkeit von dem Aufbau des MOSFET-Elements 708 reichen. Für kleine Änderungen der Gate-Spannung sind deshalb große Änderungen des Drain-Source-Stromes möglich.
In einer exemplarischen Ausführungsform ist der Kondensator 702 derart ausgelegt, dass er in einer Schaltung auf oder unterhalb einer bestimmten Spannungsschwelle entsprechend der Nennspannung des Kondensators, der geschützt wird, funktioniert, die hier als V_{Kondensator_Nennwert} (z.B. ungefähr 2,3 bis 2,7 Volt für einen beispielhaften Kondensator) bezeichnet wird. Bei Spannungen über V_{Kondensator_Nennwert} kann der Elektrolyt in dem Kondensator durchbrechen und ein zu starker Leckstrom und eine Gaserzeugung können auftreten und der Kondensator kann ausfallen. Das MOSFET-Element 708 verhindert jedoch, dass dies auftritt, wenn die Widerstände 712a und 712b derart ausgewählt sind, dass sie die nachfolgende Beziehung erfüllen:
V_{gs (Schwellenwert)} definiert eine Einschaltspannung für das MOSFET-Element 708, wobei der Drain-zu-Source-Strom zu fließen beginnt und ein Nebenstromweg zwischen der Source 714 und der Drain 718 erzeugt wird, der den Kondensator 702 umgeht.
Die tatsächliche Gate-zu-Source-Spannung V_gs, die durch das MOSFET-Element 708 an jedem gegebenen Zeitpunkt erhalten wird, erfüllt die nachfolgende Beziehung:
Es ist deshalb offensichtlich, dass die MOSFET-Gate-zu-Source-Spannung eine Funktion der angelegten Spannung V_Kondensator an dem Kondensator 702 ist. Vergleicht man die Gleichungen (1) und (2) ist es offensichtlich, dass die MOSFET-Gate-zu-Source-Spannung V_gs unterhalb des Gate-zu-Source-Schwellenwertes V_{gs (Schwellenwert)} ist, immer dann, wenn V_Kondensator kleiner als V_{Kondensator_Nennwert} ist.
Wenn der Kondensator 702 in einem Serienstapel (7) angeordnet ist und die Betriebsspannung V_Kondensator an ihm auf V_{Kondensator_Nennwert} aufgrund von Ungleichgewichten der Kapazitätswerte oder der Leckströme ansteigt, wird die V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements 708 erreicht und der MOSFET schaltet ein, um den Strom um den Kondensator 702 in dem Ausmaß nebenzuschließen bzw. zu überbrücken, das durch gfs und durch die Fehlanpassung oder das Leck in den tatsächlichen Schaltungsbetriebszuständen bestimmt wird. Wenn der Kondensator 702 alleine in einer Schaltung (d.h. nur einer der Module 704 wird verwendet und der Kondensator ist nicht in Serie mit einem weiteren Kondensator verbunden) verwendet wird, überschreitet die angelegte Spannung V_Kondensator die V_{Kondensator_Nennwert} und verursacht, dass die MOSFET-V_{gs (Schwellenwert)} erreicht wird, wodurch der Strom um den Kondensator durch das MOSFET-Element 708 nebengeschlossen wird. Das heißt, dass das MOSFET-Element 708 in dem Modul 704 wirksam ist, einen einzelnen Kondensator 702 zu schützen, wie in 8 gezeigt ist, und, wenn er in Kombination mit einem weiteren Modul 704, wie in 7 gezeigt ist, verwendet wird, kann ein Serienstapel aus Kondensatoren 702 gegenüber Spannun gen geschützt werden, die größer als V_{Kondensator_Nennwert} für die jeweiligen Kondensatoren 702 ist. Wenn V_{Kondensator_Nennwert} der Kondensatoren 702a und 702b in 7 ungefähr gleich sind, ist die Spannung an den Kondensatoren 702a und 702b wirksam auf einen Wert bei oder unterhalb V_{Kondensator_Nennwert} ausgeglichen.
Wenn der Kondensator 702 in 8 andererseits auf einem Spannungspegel V_Kondensator unterhalb seiner Nennspannung V_Kon _{densator_Nennwert} arbeitet, ist das MOSFET-Element 708 im Wesentlichen "aus" mit einem Drain-Strom typischerweise in der Größenordnung von einem oder zwei Mikroampere. In dem Aus-Zustand erzeugt das MOSFET-Element 708 somit keinen signifikanten, zusätzlichen, wirksamen Leckstrom, der die Schaltung, die den Kondensator verwendet, belastet. Wenn er in Kombination mit einem weiteren Modul 704, wie in 7 gezeigt ist, verwendet wird, um Kondensatoren in einem Serienstapel zu schützen und auszugleichen, beeinflussen die MOSFET-Elemente 708a und 708b ähnlich unschädlich die Leckstrombelastung der Schaltung. In der Art und Weise, die vorstehend erläutert wurde, schaltet das MOSFET-Element 708 aktiv ein und aus, um Leckströme als Ungleichgewichte, die in der Schaltung auftreten und abklingen, nebenzuschließen, ohne dass externe, aktive Elemente benötigt werden, um das Schalten zu verursachen. Da die Gate-Schwellenwertspannung V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements 708 ein Wert ist, der durch den Aufbau des MOSFET-Elements 708 festgelegt ist, schaltet das MOSFET-Element 708 vielmehr immer dann, wenn der absolute Wert an dem Kondensator, der geschützt wird (d. h. der absolute Wert von V_Kondensator), verursacht, dass die MOSFET-V_{gs (Schwellenwert)} erreicht wird, von dem Aus-Zustand in den Ein-Zustand, wobei der Stromnebenschlussweg zwischen der MOSFET-Source 714 und der MOSFET-Drain 718 in der Schaltung bewirkt wird.
Wenn die Module 704 als ein Paar entlang einem Serienpaar von Kondensatoren, wie in 7 gezeigt ist, angeordnet sind, arbeiten die MOSFET-Elemente 708 derart, dass sie einen wesentlichen Strom immer dann nebenschließen oder abziehen, wenn der Gesamtwert der Spannung an dem Kondensatorpaar 702a, 702b über einen Wert ansteigt, der sich auf die Gate-Schwellenwerte der MOSFET-Elemente 708 bezieht, die das Paar enthalten. Folglich und ungleich den Ausführungsformen, die in 1-3 gezeigt sind, tritt der Schaltbetrieb der aktiven MOSFET-Elemente 708 in den Modulen 704 unabhängig von irgendeinem Ungleichgewicht an dem Kondensatorpaar auf. Das heißt, dass eine gewisse Spannungsabweichung oder ein gewisses Spannungsungleichgewicht zwischen den Kondensatoren in dem Paar auftreten kann und dass unter der Voraussetzung, dass die Spannungen an den Kondensatoren unterhalb den jeweiligen V_Kondensa _{tor_Nennwert} der Kondensatoren 702 sind, V_{gs (Schwellenwert)} der MOSFET-Elemente 708 in jedem Modul nicht erreicht wird und die MOS-FET-Elemente in dem Aus-Zustand verbleiben. Das heißt, dass in dem System, das in 7 gezeigt wird, solange, wie die Spannung an jedem Kondensator die V_{Kondensator_Nennwert} nicht überschreitet, die MOSFET-Elemente 708 nicht einschalten, um zu versuchen, Ungleichgewichte an dem Kondensator zu korrigieren. Nichtsdestoweniger wird trotzdem ein Ausgleichseffekt innerhalb tolerierbarer Bereiche realisiert, da die Spannung an jedem Kondensator daran gehindert wird, über V_{Kondensator_Nennwert} anzusteigen, und in dem Fall von in Serie verbundenen Modulen, die Kondensatoren haben, die die gleiche Nennspannung V_Kondensa _{tor_Nennwert} haben, wird das Paar von Kondensatoren immer dann ausgeglichen, wenn die Gesamtspannung an dem Paar von Kondensatoren ausreichend groß ist, um zu verursachen, dass die MOS-FET-Elemente 708 in jedem der Module gleichzeitig in den Ein-Zustand schalten und den Strom um die Kondensatoren nebenschließen.
Ungleich den Ausführungsformen von 1-3, worin das Spannungsschalten durch Bezugnahme des Schaltpunkts auf die Gesamtspannung an dem Kondensatorpaar unter Verwendung eines Widerstandsteilernetzwerkes ausgeführt wird, wird in den Modulen 704, die in 8 gezeigt sind, das Schalten stattdessen unter Bezugnahme der Spannung V_Kondensator an einem einzelnen Kondensator 702 auf den Gate-Schwellenwert V_{gs (Schwellenwert)} des aktiven Elements 708 selbst ausgeführt. Folglich sind die Module 704, die in 7 und 8 gezeigt sind, vollständig dazu in der Lage, einzelne Kondensatoren zu schützen, während die Ausführungsform von 1-3 eine Vielzahl von arbeitenden Kondensatoren benötigt. Die Fähigkeit Spannungen an einzelnen Kondensatoren zum Ausgleichen und Schützen aus Ausgleichs- und Schutzgründen zu steuern, stellet eine universelle Verwendung von Modulen bereit, die gemischt und angepasst werden können, um die Erfordernisse einer großen Anzahl von elektrischen Systemen einzuhalten, und stellt auch Kosteneinsparungen durch standardisierte Modulpackungen bereit, wie unten stehend erläutert wird.
Das Widerstandsspannungsteilernetzwerk, das die Widerstände R₁ und R₂ enthält, die in 8 gezeigt sind, ist insbesondere von Vorteil, wenn V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements 708 in jedem Modul 704 kleiner als V_{Kondensator_Nennwert} des jeweiligen Kondensators 702 ist. Es kann manchmal schwierig sein, MOSFET-Elemente 708 zu erhalten, die bestimmte Werte von V_gs (Schwellenwert) haben, die ansonsten ohne die Verwendung des Spannungsteilernetzwerks erforderlich sein würden. Das heißt, dass in einigen Fällen V_{gs (Schwellenwert)} der verfügbaren MOSFET-Elemente 708 nicht groß genug sein kann, um Strom um den Kondensator 702 nebenzuschließen, der eine höhere V_{Kondensator_Nennwert} hat. Widerstandswerte werden gemäß der Beziehung (1) mit mindestens zwei Kriterien ausgewählt: erstens, dass V_{gs (Schwellenwert)} erreicht wird, wenn die Spannung auf V_{Kondensator_Nennwert} oder etwas darüber ansteigt, und zweitens, dass das Spannungsteilernetzwerk selbst einen sehr niedrigen Strom (kleiner als 1 Mikroampere in einem Beispiel) zieht. Die Widerstände 712 können mit dem MOSFET-Element 708 auf einer einzelnen Scheibe aus Silizium integriert sein, wenn dies gewünscht wird.
Für einige Werte von V_{Kondensator_Nennwert} für den Kondensator 702, der korrigiert wird, kann V_{gs (Schwellenwert)} der MOSFET-Vorrichtung 708 nahe an V_{Kondensator_Nennwert} in dem Schaltungsmodul 704 angepasst sein oder damit gleich sein. In diesem Fall und, wie in 9 gezeigt ist, kann das Spannungsteilernetzwerk, das durch die Widerstände 712 festgelegt ist, die in 8 gezeigt sind, weggelassen werden und ein weiterer Modul 707 kann realisiert werden. In diesem Fall verursacht jeder Spannungsanstieg an dem Kondensator 702 in dem Modul 707, der V_{gs (Schwellenwert)} gleich ist und/oder überschreitet, dass ein Drain-Strom in dem Ausmaß fließt, dass durch gfs und die Differenz V_gs-V_{gs (Schwellenwert)} bestimmt wird. Die Kondensatorspannung kann deshalb nicht viel über den Wert von V_{gs (Schwellenwert)} ansteigen, ohne dass ein Fluss von großen Strömen verursacht wird. Wenn die Nennspannung des Kondensators gleich V_{Kondensator_Nennwert} ist, ist das Auswählen von V_{gs (Schwellenwert)} gleich oder etwas größer als V_{Kondensator_Nennwert} optimal.
Im Allgemeinen können MOSFET-Elemente 708 gebaut werden, die den geeigneten Wert von V_{gs (Schwellenwert)} derart haben, dass kein Widerstandsspannungsteilernetzwerk benötigt wird und der Modul 707 von 9 ausreichend ist. Das MOSFET-Element 708 kann mit dem Kondensator 702 in einer einzigen Packung, wie gewünscht, kombiniert werden und das Ergebnis ist eine einzelne Packung bzw. Gehäuse mit zwei Anschlüssen zum Verbinden mit weiteren Modulen. Zum Beispiel zeigt 10 zwei der Module 707, die in 9 gezeigt sind und die in Kombination in einem Ausgleichssystem 720 verwendet werden, um Serienkondensatoren zu schützen. 11 zeigt die Module 704, 707 von 8 und 9, die in einem Schutz- und Ausgleichssystem 730 für Serienkondensatoren variierender Nennspannungen gemischt und angepasst sind. Einige der Kondensatorwerte in dem System von 11 machen das Spannungsteilernetzwerk der Module 704 notwendig, während andere Kondensatorwerte das Spannungsteilernetzwerk erübrigen und die Module 707 dann ausreichen. Obwohl mehrere Beispielsysteme 700, 720, 730 in 7, 10 und 11 gezeigt sind, wird darauf hingewiesen, dass die Systeme von 7, 10 und 11 irgendeine Anzahl von Modulen 704 und/oder 707 in der tatsächlichen Verwendung enthalten können.
In 7-11 sind die MOSFET-Elemente 708 als n-Typ-MOSFETs gezeigt, obwohl darauf hingewiesen wird, dass MOSFET-Elemente vom p-Typ und äquivalente Vorrichtungen gleichsam mit einer geeigneten Modifikation der Module durch Verdrahten des MOSFET-Gate mit dem gegenüberliegenden Spannungspol des Kondensators in jedem Modul verwendet werden können. 12-16 zeigen ähnliche Systeme und Module, die MOSFET-Elemente vom p-Typ haben.
12, 15 und 16 zeigen exemplarische Systeme 740, 750 und 760 und 13 und 14 zeigen die jeweiligen Module 744, 747, worin MOSFET-Elemente 748 vom p-Typ anstelle von MOSFET-Elementen 108 vom n-Typ verwendet werden. Gleiche Bezugszeichen werden verwendet, um entsprechende Elemente von 7-11 und 12-16 zu identifizieren. Arbeitsmäßig sind die Ausgleichssysteme 740, 750 und 760 und die Module 744 und 747, die gezeigt werden, identisch zu den Modulen und Systemen, die vorstehend in bezug auf 7-11 beschrieben worden sind und ähnliche Vorteile werden bereitgestellt. Eine weitere Erläuterung der Ausführungsformen, die in 12-16 gezeigt sind, wird deshalb hier nicht für notwendig gehalten.
Die Universalität der Erfindung wird weiterhin in 17A und 17B demonstriert, worin ein Ausgleichssystem 770 bereitgestellt wird, das eine Kombination aus einem Modul 704 (8) vom n-Typ und einem Modul 744 (13) vom p-Typ enthält. Ähnlich, wie in 18A und 18B gezeigt ist, werden Ausgleichssysteme 780 bereitgestellt, die eine Kombination aus einem Modul 707 (9) vom n-Typ und einem Modul 747 ( 14) vom p-Typ enthalten.
19 zeigt eine weitere Ausführungsform eines aktiven Ausgleichsmoduls 790, der dem System 770, das in 17B gezeigt ist, mit der Ausnahme gleicht, dass die Widerstände 712b und 712c in einem einzelnen Widerstand 712e kombiniert sind und dass der Source-Knoten des MOSFET-Elements 708 vom n-Typ und der Source-Knoten des MOSFET-Elements 748 vom p-Typ miteinander verbunden sind. In dieser Ausführungsform bezieht sich der Betrieb der MOSFET-Elemente 708 und 748 auf eine schwebende Referenzspannung bzw. Floating-Referenzspannung an dem Widerstand 712e und entspricht der Spannungsdifferenz zwischen dem Kondensatorpaar und das System 790 antwortet deshalb auf Ungleichgewichtsspannungen zwischen den Serienkondensatoren 702a und 702b. Das heißt, dass die MOSFET-Elemente 708 und 748 auf absolute Spannungswerte an den Kondensatoren, wie vorstehend erläutert wurde, reagieren und auch auf Spannungsungleichgewichte an dem Kondensatorpaar reagieren, um Strom um die Kondensatoren nebenzuschließen und Ungleichgewichte auszugleichen, sobald sie V_{gs
(Schwellenwert)} für die jeweiligen MOSFET-Elemente überschreiten. Ein Widerstandswert des Widerstands 712e kann strategisch derart ausgewählt werden, dass die Empfindlichkeit des Moduls für Ungleichgewichte an dem Paar von Kondensatoren variiert. Der Modul 790 ist für die Kondensatoren 702a, 702b der gleichen oder unterschiedlicher Standardspannung bzw. Nennspannungen gleich effektiv.
20 zeigt ein aktives Ausgleichssystem 800, das zwei Module 790 hat, die miteinander verbunden sind, um einen Serienstapel aus Kondensatoren 702a, 702b, 702c, 702d zu schützen. Zusätzliche Module 790 könnten wie gewünscht vorgesehen werden, um zusätzliche Kondensatoren in dem Stapel zu schützen.
21 zeigt ein Ausgleichssystem 810, das im wesentlichen eine Vielzahl von Modulen 707 ist, die parallel zueinander verbunden sind, und das ein Netzwerk aus parallel verbundenen Kondensatoren 702a, 702b, 702c und einem MOSFET-Element 708 vom n-Typ ausbilden, das mit jedem Kondensator 702a, 702b, 702c verbunden ist. Die MOSFET-Elemente 708, die so verbunden sind, sind, wie vorstehend erläutert wurde, derart betreibbar, dass sie einschalten und überspannungsstöße an den Parallelkondensatoren nebenschließen bzw. kurzschließen, wenn die Spannung an den Kondensatoren die V_{gs (Schwellenwert)} der jeweiligen MOSFET-Elemente erreicht. Das System 810 ist deshalb gut dafür geeignet, eine Beschädigung der Kondensatoren 702a, 702b, 702c zu verhindern und/oder abzuschwächen, die mit Ladequellen (nicht gezeigt) hohen Stromes verbunden sind. Die Kondensatoren können die gleiche oder unterschiedliche Nennspannung haben, wobei V_{gs (Schwellenwert)} der MOSFET-Elemente 708 an den Nennspannungen der jeweiligen Kondensatoren angepasst sind bzw. damit übereinstimmen. Obwohl MOSFET-Elemente 708 vom n-Typ dargestellt sind, ist es ersichtlich, dass MOSFET-Elemente vom p-Typ und äquivalente Vorrichtungen gleichsam mit bestimmten Verdrahtungsmodifikationen, die vorstehend beschrieben worden sind, verwendet werden können.
22 zeigt ein alternatives Ausgleichssystem 820 zu dem System 810 von 21, worin drei parallele Kondensatoren 702a, 702b, 702c durch ein einzelnes MOSFET-Element 708 vom N-Typ geschützt werden. Das MOSFET-Element 708 kann derart ausgewählt werden, dass es eine hohe Strom- und Energieaufnahmefähigkeit bereitstellt, und ist geeignet verpackt, um die Wärme in einem überspannungsereignis abzuführen. Die V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements ist derart ausgewählt, dass sie mit den Nennspannungen der Kondensatoren 702a, 702b, 702c wie vorstehend beschrieben wurde, übereinstimmt. Während drei Kondensatoren 702a, 702b, 702c in 22 dargestellt sind, ist es of fensichtlich, dass eine größere oder eine geringere Anzahl von Kondensatoren bereitgestellt werden könnte und in Verbindung mit dem MOSFET-Element 708 betrieben werden könnte. Während MOSFET-Elemente 708 vom n-Typ in dem System 820 dargestellt sind, ist es offensichtlich, dass MOSFET-Elemente vom p-Typ und äquivalente Vorrichtungen dazu gleichsam verwendet werden können.
23 zeigt ein Kondensatorschutzsystem, das im wesentlichen eine Vielzahl von Modulen 704 (8) ist, die parallel zueinander verbunden sind, und das ein Netzwerk aus parallelen, verbundenen Kondensatoren 702a, 702b und aus einem MOSFET-Element 708 vom n-Typ ausbildet, das mit jedem Kondensator 702a, 702b verbunden ist. Die Module 704 enthalten die Spannungsteilernetzwerke, wie vorstehend beschrieben wurde, um höhere Nennspannungen der Kondensatoren 702a, 702b aufzunehmen. Die so verbundenen MOSFET-Elemente 708 arbeiten derart, wie vorstehend erläutert wurde, um einzuschalten und Überspannungsstöße an den Parallelkondensatoren 702a, 702b nebenzuschließen, wenn die Spannung an den Kondensatoren die V_{gs (Schwellenwert)} der jeweiligen MOSFET-Elemente erreicht. Das System 810 ist deshalb gut dafür geeignet, eine Beschädigung der Kondensatoren 702a, 702b, 702c zu verhindern und/oder abzuschwächen, die mit den Hochstrom-Ladequellen (nicht gezeigt) verbunden sind. Die Kondensatoren 702a, 702b, 702c können die gleichen oder unterschiedlichen Nennspannungen haben und die Werte der Widerstandselemente 712a und 712b werden derart ausgewählt, dass sie die Gleichung (1) erfüllen, die vorstehend erläutert wurde. Obwohl MOSFET-Elemente 708 vom n-Typ in dem System 830 dargestellt sind, ist es offensichtlich, dass MOS-FET-Elemente vom p-Typ und dazu äquivalente Vorrichtungen gleichsam verwendet werden können.
24 zeigt ein alternatives Ausgleichssystem 840 zu dem System 830, das in 23 gezeigt ist, worin zwei paral lele Kondensatoren 702a, 702b durch ein einzelnes MOSFET-Element 708 vom n-Typ geschützt werden. Das MOSFET-Element 708 kann derart ausgewählt werden, dass es eine hohe Strom- und Energieaufnahmefähigkeit bereitstellt, und kann geeignet verpackt sein, um Wärme bei einem Überspannungsereignis abführen zu können. Die V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements und Werte von R₁ und R₂ werden derart ausgewählt, dass sie die vorstehende Gleichung (1) erfüllen können. Obwohl zwei Kondensatoren 702a, 702b in 24 gezeigt sind, ist es offensichtlich, dass eine größere Anzahl oder eine geringere Anzahl von Kondensatoren bereitgestellt werden könnte und in Verbindung mit dem MOSFET-Element 708 betrieben werden könnte. Obwohl MOSFET-Elemente 708 vom n-Typ in dem System 840 gezeigt sind, ist es offensichtlich, dass MOSFET-Elemente vom p-Typ und äquivalente Vorrichtungen dazu ähnlich verwendet werden könnten.
25A, 25B, 25C, 25D zeigen weitere Ausführungsformen der Schutzmodule 850, 860, 870, 880, die Adaptationen der Module 707 (9) sind und die Hilfsvorrichtungen enthalten, die in Serie mit den aktiven Elementen für einen verbesserten Betrieb der Module verbunden sind. Die Hilfsvorrichtungen modifizieren die effektive Einschaltspannung, um einen Nebenschlussstromweg einrichten zu können.
Der Modul 850, der in 25B gezeigt ist, ist im wesentlichen der Modul 707 mit der Hinzufügung einer Hilfsvorrichtung in der Form einer Diode 852, die zwischen dem negativen Anschluss des Kondensators 702 und der Source eines MOS-FET-Elements 708 vom n-Typ verbunden ist. Aufgrund der Hinzufügung der Diode 852 in der Schaltung ist die Einschaltspannung, bei der der Nebenschlussstrom durch das MOSFET-Element 708 zu fließen beginnt, gleich der V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements plus des Vorwärtsspannungsabfalls der Diode 852. Obwohl der Modul 850 mit einem MOSFET-Element 708 vom n-Typ gezeigt ist, ist es offensichtlich, dass ein MOSFET-Element vom p-Typ gleichsam, wie vorstehend beschrieben wurde, mit geeigneten Verdrahtungsmodifikationen der Schaltung verwendet werden kann.
25B zeigt einen weiteren Modul 860, der eine erste Schottky-Diode 852 und eine zweite Schottky-Diode 854 hat, die zwischen dem negativen Anschluss des Kondensators 702 und der Source eines MOSFET-Elements 708 vom n-Typ verbunden ist. Aufgrund der Hinzufügung der Dioden 852 und 854 zu der Schaltung ist die Einschaltspannung, bei der ein Nebenschlussstrom durch das MOSFET-Element 708 zu fließen beginnt, gleich der V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements plus der Summe des Vorwärtsspannungsabfalls der Dioden 852 und 854. Eine größere Anzahl von Dioden kann, wenn gewünscht, bereitgestellt werden und obwohl der Modul 860 mit einem MOSFET-Element 708 vom n-Typ gezeigt ist, ist es offensichtlich, dass ein MOSFET-Element vom p-Typ ähnlich mit geeigneten Verdrahtungsmodifikationen der Schaltung, wie vorstehend beschrieben wurde, bereitgestellt werden kann.
25C zeigt einen Modul 870, der eine Hilfsvorrichtung in der Form eines Transistors 856 hat, der zwischen dem negativen Anschluss des Kondensators 702 und der Source des n-Typ-MOSFET-Elements 708 verbunden ist. Aufgrund der Hinzufügung des Transistors 852 zu der Schaltung ist die Einschaltspannung, bei der der Nebenschlussstrom zu fließen beginnt, gleich der V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements plus dem Basisemitter-Diode-Spannungsabfall des Transistors 856. Obwohl der Modul 870 mit einem MOSFET-Element 708 vom n-Typ gezeigt ist, ist es offensichtlich, dass ein MOSFET-Element vom p-Typ ähnlich, wie vorstehend beschrieben wurde, mit geeigneten Verdrahtungsmodifikationen der Schaltung bereitgestellt werden kann.
25D zeigt einen weiteren Modul 880, der erste und zweite Transistoren in einer kaskadierten Anordnung 858 hat, die manchmal als eine Darlington-Anordnung bezeichnet wird. Die kaskadierten Transistoren sind zwischen dem negativen Anschluss des Kondensators 702 und dem MOSFET-Element 708 vom n-Typ verbunden. Aufgrund der Hinzufügung der kaskadierten Transistoren zu der Schaltung ist die Einschaltspannung, bei der der Nebenschlussstrom durch das MOSFET-Element 708 zu fließen beginnt, gleich der V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements plus dem Basisemitter-Diode-Spannungsabfall der kaskadierten Transistoren. Größere Anzahlen von Transistoren können, wenn gewünscht bereitgestellt werden und, obwohl der Modul 880 mit einem MOS-FET-Element 708 vom n-Typ dargestellt ist, ist es offensichtlich, dass ein MOSFET-Element vom p-Typ gleichsam, wie vorstehend beschrieben wurde, mit einer geeigneten Verdrahtungsmodifikation der Schaltung verwendet werden kann.
26A, 26B, 26C, 26D zeigen weitere Ausführungsformen der Schutzmodule 890, 900, 910, 920, die Anpassungen des Moduls 704 (8) sind und Hilfsvorrichtungen für einen verbesserten Betrieb davon enthalten.
Der Modul 890, der in 26A gezeigt ist, ist im wesentlichen der Modul 704 mit der Hinzufügung einer Hilfsvorrichtung in der Form einer Diode 892, die zwischen dem negativen Anschluss des Kondensators 702 und der Source des MOSFET-Elements 708 vom n-Typ verbunden ist. Aufgrund der Hinzufügung der Diode 892 in der Schaltung ist die Einschaltspannung, bei der der Nebenschlussstrom zu fließen beginnt, gleich dem Produkt aus V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements und dem Spannungsteilernetzwerkverhältnis, das in der vorstehenden Gleichung (1) ausgedrückt worden ist, plus dem Vorwärtsspannungsabfall der Diode 852. Während der Modul 890 mit einem MOSFET-Element 708 vom n-Typ dargestellt ist, ist es offensichtlich, dass das MOSFET-Element vom p-Typ gleichwertig, wie vorstehend be schrieben worden ist, mit geeigneten Verdrahtungsmodifikationen der Schaltung bereitgestellt werden kann.
26B zeigt einen weiteren Modul 900, der eine erste Schottky-Diode 892 und eine zweite Schottky-Diode 894 hat, die zwischen dem negativen Anschluss des Kondensators 702 und der Source des MOSFET-Elements 708 vom n-Typ verbunden ist. Aufgrund der Hinzufügung der Dioden 892 und 884 zu der Schaltung ist die Einschaltspannung, bei der der Nebenschlussstrom zu fließen beginnt, gleich dem Produkt aus V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements und dem Spannungsteilernetzwerkverhältnis, das in der vorstehenden Gleichung (1) ausgedrückt worden ist, plus dem Vorwärtsspannungsabfall der Dioden 892 und 894. Größere Anzahlen von Dioden können, wenn gewünscht, bereitgestellt werden und, obwohl der Modul 900 mit einem MOSFET-Element 708 vom n-Typ dargestellt ist, ist es offensichtlich, dass ein MOSFET-Element vom p-Typ gleichwertig, wie vorstehend beschrieben worden ist, mit einer geeigneten Verdrahtungsmodifikation der Schaltung bereitgestellt werden kann.
26C zeigt einen Modul 910, der eine Hilfsvorrichtung in der Form eines Transistors 896 hat, der zwischen dem negativen Anschluss des Kondensators 702 und der Source des MOSFET-Elements 708 vom n-Typ verbunden ist. Aufgrund der Hinzufügung des Transistors 896 zu der Schaltung ist die Einschaltspannung, bei der der Nebenschlussstrom zu fließen beginnt, gleich dem Produkt aus V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements und dem Spannungsteilernetzwerkverhältnis, das in Gleichung (1) vorstehend ausgedrückt worden ist, plus dem Basisemitter-Diode-Spannungsabfall des Transistors 896. Obwohl der Modul 910 mit einem MOSFET-Element 708 vom n-Typ dargestellt ist, ist es offensichtlich, dass ein MOSFET-Element 708 vom p-Typ gleichwertig, wie vorstehend beschrieben wurde, mit geeigneten Verdrahtungsmodifikationen der Schaltung bereitgestellt werden kann.
26D zeigt einen weiteren Modul 920, der einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor in einer kaskadierten Anordnung 898 hat, die manchmal als eine Darlington-Schaltung bezeichnet wird. Die kaskadierten Transistoren sind zwischen dem negativen Anschluss des Kondensators 702 und dem MOSFET-Element 708 vom n-Typ verbunden. Aufgrund der Hinzufügung der kaskadierten Transistoren zu der Schaltung ist die Einschaltspannung, bei der der Nebenschlussstrom zu fließen beginnt, gleich dem Produkt aus V_{gs (Schwellenwert)} des MOSFET-Elements und dem Spannungsteilernetzwerkverhältnis, das in Gleichung (1) ausgedrückt ist, plus dem Basisemitter-Diode-Spannungsabfall der kaskadierten Transistoren. Größere Anzahlen von Transistoren können vorgesehen werden, wenn erwünscht, und, obwohl der Modul 920 mit einem MOSFET-Element 708 vom n-Typ gezeigt ist, ist es offensichtlich, dass ein MOSFET-Element vom p-Typ gleichwertig, wie vorstehend beschrieben worden ist, mit geeigneten Verdrahtungsmodifikationen der Schaltung bereitgestellt werden kann.
27 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kondensatorschutz- und Ausgleichsmoduls 930, der ungleich den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ein Paar von MOSFET-Elementen vom n-Typ entsprechend einem einzelnen Kondensator 702 enthält. Das heißt, dass anstelle einer Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen MOSFET-Elementen und Kondensatoren, die geschützt werden sollen, der Modul 930 ein zweites MOSFET-Element 708 als Hilfsvorrichtung verwendet, um die Einschaltspannung zu modifizieren, bei der der Nebenschlussstrom zu fließen beginnt. Wie in 27 gezeigt ist, ist eines der MOSFET-Elemente 708 mit einem Spannungsteilernetzwerk verbunden, das Widerstände R₁ und R₂ enthält, während das andere der MOSFET-Elemente 708 ein aktives, eigenständiges Element ist.
Aufgrund der Hinzufügung des zweiten MOSFET-Elements 708 zu der Schaltung ist die Einschaltspannung, bei der der Nebenschlussstrom zu fließen beginnt, gleich der Summe aus V_{gs (Schwellenwert)} des eigenständigen MOSFET-Elements plus dem Produkt aus V_{gs (Schwellenwert)} des zweiten MOSFET-Elements und dem Spannungsteilernetzwerkverhältnis, wie es in Gleichung (1) ausgedrückt ist. Größere Anzahlen von MOSFET-Elementen können bereitgestellt werden, wenn gewünscht, und, obwohl der Modul 930 mit MOSFET-Elementen 708 vom n-Typ gezeigt ist, ist es offensichtlich, dass MOSFET-Elemente vom p-Typ und äquivalente Vorrichtungen gleichwertig, wie vorstehend beschrieben wurde, mit geeigneten Verdrahtungsmodifikationen der Schaltung bereitgestellt werden können. Verschiedene Kombinationen von MOSFET-Elementen in dem Modul können mit und ohne Spannungsteilernetzwerken, wie gewünscht, bereitgestellt werden.
Es wurden nun mehr verschiedene Beispiele von Modulen beschrieben, die Hilfsvorrichtungen, wie zum Beispiel Dioden, Transistoren und zusätzliche MOSFET-Elemente haben, welche in 25, 26 und 27 gezeigt sind. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass weitere Hilfsvorrichtungen gleichartig verwendet werden können, um die Leistungsfähigkeit der Module durch das Kombinieren zweier Einschaltspannungscharakteristiken (z.B. der Einschaltspannung des MOSFET-Elements und der Einschaltspannung der Hilfsvorrichtung) zu ändern, was in einem Strom-"Einschalten" resultiert, wenn die Spannung auf die Summe der beiden ansteigt. Das Verhalten der Module kann deshalb auf spezielle Kondensatoreigenschaften und gewünschte Effekte zugeschnitten werden.
Unter Verwendung der Schaltungsmodule, die vorstehend beschrieben wurden, können Kondensatoren in einer Einzelverwendung geschützt werden, können Kondensatoren in einem Serienstapel geschützt werden und können Kondensatoren auch parallel geschützt werden. Module unterschiedlichen Typs können bereitgestellt werden und alleine verwendet werden oder können in Schutz- und Ausgleichssystemen für einen großen Bereich von Kondensatoranordnungen kombiniert werden und Eigenschaften der Widerstände, der MOSFET-Elemente und der Hilfsvorrichtungen können derart ausgewählt werden, dass eine große Vielzahl von Leistungseigenschaften bei der Verwendung erreicht werden kann.
V. Kondensatormodulintegration und Packung
28 ist eine Explosionsansicht eines exemplarischen Ausgleichsmoduls, der in einer Kondensatorvorrichtung 950 integriert ist. In einer erläuternden Ausführungsform enthält die Vorrichtung 950 ein Kondensatorgehäuse 952, das mit elektrolytischen Materialien in einer bekannten Art und Weise gepackt ist. Ein kompressibles Spundabdichtungselement 954, das aus Gummi oder einem anderen kompressiblen Material hergestellt ist, wird in ein Ende des Gehäuses 952 eingepasst und bildet eine Kompressionsabdichtung an dem Ende des Gehäuses 952, um das elektrolytische Material und operative Komponenten des Kondensators darin schützen zu können. Verbindungsanschlüsse oder Lötstifte 956, 958 erstrecken sich von dem Gehäuse 952 aus zu einer externen Schaltung in einer bekannten Art und Weise. In der gezeigten Ausführungsform, die in 28 gezeigt ist, ist das Gehäuse 952 ein zylindrisches Gehäuse, das manchmal als eine Büchse bzw. Dose bezeichnet wird, die allgemein in Superkondensatorkonstruktionen verwendet wird, obwohl Gehäuse 952 verschiedener Form und Aufbaus in Alternative verwendet werden können.
Eine Vorrichtung 960 mit aktiven Komponenten wird bereitgestellt, die ein dielektrisches Substrat 962, zum Beispiel ein Keramiksubstratmaterial, ein gedrucktes Leiterplattenmaterial, eine FR-4-Leiterplatte, ein Material auf Phenolbasis oder einer anderen Polymerbasis, enthält. Ein MOSFET- Element 964 und verbundene Komponenten 966, 968 sind auf dem Substrat 962 durch zum Beispiel einen bekannten Lötbetrieb angebracht. Durchgangslöcher 970 sind in dem Substrat 962 vorgesehen und die Kondensatorkontakte 956, 958 erstrecken sich durch die Durchgangslöcher und die Kontakte 956, 958 sind mit dem MOSFET-Element 964 und den Komponenten 966, 968 verbunden. Das MOSFET-Element 964 kann ein n-Typ-Element oder ein p-Typ-Element sein und die Komponenten 966, 968 können Widerstände oder Hilfsvorrichtungen sein, wie vorstehend erläutert wurde, oder können optional weggelassen werden. Das heißt, dass das aktive Element 964 und die Komponenten 966, 968 in der Komponentenanordnung 960 ausgewählt und derart angeordnet werden können, dass irgendeiner der Module, die vorstehend beschrieben worden sind, realisieren wird, wenn die Anordnung 960 mit den Kondensatorkontakten 956, 958 verbunden ist.
Das aktive Element 964 und die Komponenten 966, 968 können an der oberen Oberfläche und/oder der unteren Oberfläche des Substrats 962 angebracht sein, um die Anordnung 960 zu vervollständigen, und die Anordnung 960 kann über die Kontakte 956, 958 geschoben werden, wobei sich die Kontakte 956, 958 durch die Durchgangslöcher 970 erstrecken, bis die Anordnung 960 gegen die Spundabdichtung 954 anschlägt. Die Kontakte 956, 958 können dann mit der Anordnung 960 derart verlötet werden, dass die aktive Komponentenanordnung 960 permanent an der Vorrichtung 950 angebracht ist und vollständig einstückig mit der Vorrichtung 950 integriert ist. Auf diese Art und Weise können vorhandene Kondensatoren an der aktiven Komponentenvorrichtung 960 befestigt werden, um einen Schaltungsschutz und eine Ausgleichsfunktionalität der Module, die vorstehend beschrieben wurden, bereitstellen zu können. Die aktive Komponentenanordnung 960 kann mit Standardkondensatoren bzw. Lagerkondensatoren nachgerüstet werden, ohne dass der Aufbau oder der Aufbau der Kondensatorprodukte selbst betroffen ist.
Obwohl sich die Komponentenanordnung 960, die bisher beschrieben worden ist, außerhalb des Gehäuses 952 in einer Anschlagsbeziehung zu einer äußeren Oberfläche der Spundabdichtung 954 befindet, kann die Anordnung mit aktiver Komponente in Alternative innen in dem Kondensatorgehäuse 952 angeordnet werden und mit den Anschlusskontakten 956, 958 vor der Installation der Spund-Gummidichtung 954 in dem Gehäuse 952 verbunden werden. Das Anordnen der Anordnung 960 im Inneren des Gehäuses 952 bedeutet natürlich eine Überlegung und sehr wahrscheinlich eine gewisse Änderung des inneren Aufbaus und der inneren Auslegung der Kondensatorvorrichtung, die für Fachleute ohne Zweifel durchführbar ist. Es wird davon ausgegangen, dass diese Überlegung und die potenzielle Änderung des Kondensatoraufbaus innerhalb des Könnens eines Fachmanns liegt und dass keine weitere Erläuterung hier deshalb notwendig ist.
29 und 30 zeigen eine Anordnung mit aktiver Komponente, die eine kompressible Spunddichtung 982 bzw. Stopfendichtung hat, die um eine Anordnung 984 mit einem aktiven Element gegossen ist. Die Anordnung 984 mit aktivem Element ist in das kompressible Material der Spunddichtung 984 eingebettet oder eingekapselt und die Spunddichtung 982 ist mit Durchgangslöchern 986 ausgebildet. Kondensatorkontakte, zum Beispiel die Kontakte 956, 958 bzw. Anschlussdrähte, die in 28 gezeigt sind, können sich durch die Durchgangslöcher 986 erstrecken, wenn die Spunddichtung 984 an das Kondensatorgehäuse, zum Beispiel dem Gehäuse 952, das in 28 gezeigt ist, installiert wird. Die Anordnung 984 mit aktivem Element enthält eine MOSFET-Packung 988 und elastische Anschlusselemente 990, 992, die sich von der Packung 988 aus erstrecken. In einer Ausführungsform sind die Anschlusselemente 990, 992 auslenkbare Federkontakte, die an die Kondensatorkontakte 956, 958 durch Druckkräfte der Spunddichtung 982 festgeklemmt sind, wenn sie an dem Kondensatorgehäuse installiert ist. Eine elektrische Verbindung der MOSFET-Packung 988 wird deshalb für die Kondensatorkontakte 956, 958 eingerichtet und die Packung 988 ist dauerhaft an der Kondensatorvorrichtung angebracht und vollständig in der Kondensatorvorrichtung integriert.
Die MOSFET-Packung 988 kann ein aktives Element vom n-Typ oder p-Typ und gewünschte Widerstände oder Hilfskomponenten enthalten, um einen der Schaltungsmodule, die vorstehend beschrieben wurden, zu bewirken. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung 984 mit aktivem Element in Alternative im Inneren des Kondensatorgehäuses entfernt von der Spunddichtung 982 angeordnet sein kann und mit den Anschlusskontakten 956, 958 vor der Installation der Spunddichtung 982 verbunden werden kann. Das Anordnen der Anordnung 984 im Inneren des Kondensatorgehäuses erfordert natürlich einige Überlegungen und sehr wahrscheinlich eine gewisse Änderung des Innenaufbaus und der inneren Auslegung der Kondensatorvorrichtung, was für Fachleute ohne Zweifel offensichtlich ist. Es wird davon ausgegangen, dass diese Überlegung und die potenzielle Änderung des Kondensatoraufbaus innerhalb des Könnens eines Fachmanns ist und keine weitere Erläuterung deshalb hier notwendig ist.
31 ist eine Explosionsansicht einer alternativen Ausführungsform eines exemplarischen Ausgleichsmoduls, der in einer Kondensatorvorrichtung 990 integriert ist. Die Vorrichtung 990 enthält ein Kondensatorgehäuse 992, das mit einem elektrolytischen Material in einer bekannten Art und Weise gepackt ist. Verbindungsanschlüsse 994, 996 erstrecken sich von dem Gehäuse 992 zu einer äußeren Schaltung in einer bekannten Art und Weise. In der dargestellten Ausführungsform, die in
31 gezeigt ist, ist das Gehäuse 992 ein langgestrecktes Gehäuse, das gegenüberliegende flache Seiten 998 und 1000 hat, obwohl Gehäuse verschiedener Formen und Aufbauten alternativ verwendet werden können.
Eine Anordnung 1002 mit aktiver Komponente ist vorgesehen, die ein dielektrisches Substrat 1004 enthält, das in einer exemplarischen Ausführungsform ein flexibles Leiterplattenmaterial sein kann, obwohl das Substrat in Alternative aus einem Keramiksubstratmaterial, aus einem gedruckten Leiterplattenmaterial, aus einer FR-4-Leiterplatte, aus einem Material auf Phenol- oder Polymerbasis, wenn gewünscht, hergestellt sein kann. Ein MOSFET-Element 1006 und verbundene Komponenten 1008, 1010 sind an dem Substrat 1004 durch zum Beispiel ein bekanntes Lötverfahren angebracht. Das MOSFET-Element 1006 kann ein Element vom n-Typ oder p-Typ sein und die Komponenten 1008, 1010 können Widerstände oder Hilfsvorrichtungen sein, wie vorstehend erläutert wurde, oder können optional weggelassen werden. Das heißt, dass das aktive Element 1006 und die Komponenten 1008, 1010 in der Komponentenanordnung 1002 derart ausgewählt und angeordnet werden können, dass irgendeiner der Module, der vorstehend beschrieben worden ist, aufgebaut wird, wenn die Anordnung 1002 mit den Kondensatoranschlüssen 994, 996 verbunden ist.
In der dargestellten Ausführungsform, die in 31 gezeigt ist, enthält das flexible Substratmaterial 1004 leitende Spuren bzw. Leitungen, die das MOSFET-Element 1006 und die Komponenten 1008, 1010 miteinander verbinden, und Oberflächenmontageflächen 1012, 1014 sind an gegenüberliegenden Enden des Substratmaterials 1004 vorgesehen. Die Oberflächenmontageflächen 1012, 1014 können mit Oberflächen der Anschlüsse 994, 996 derart verlötet werden, dass die Anordnung 1002 mit aktiver Komponente permanent an der Vorrichtung 990 angebracht ist und vollständig mit der Vorrichtung 990 integriert ist. Auf diese Art und Weise können die Kondensatoren in der Anordnung 1002 mit aktiver Komponente befestigt werden, um einen Schaltungsschutz und eine Ausgleichsfunktionalität der Module, die vorstehend beschrieben wurden, bereitzustellen. Die aktive Komponentenanordnung 1002 kann mit Standardkondensatoren nach gerüstet werden, ohne dass der Aufbau oder die Auslegung der Kondensatorprodukte selbst geändert werden müssten.
Obwohl die Komponente 1002, die bis hierher beschrieben worden ist, außerhalb des Gehäuses 992 angeordnet ist und mit den Anschlüssen 994, 996 an einem Ort außerhalb des Kondensatorgehäuses verbunden ist, kann die aktive Komponentenanordnung 1002 alternativ im Inneren des Kondensatorgehäuses 992 angeordnet sein und mit den Anschlüssen 994, 996 an einem Ort im Inneren des Gehäuses 992 verbunden sein. Natürlich umfasst das Anordnen der Anordnung 1002 im Inneren des Gehäuses 992 einige Überlegungen und sehr wahrscheinlich eine Änderung des Innenaufbaus und der Innenauslegung der Kondensatorvorrichtung, was für Fachleute ohne Zweifel offensichtlich ist. Es wird davon ausgegangen, dass diese Überlegung und diese potenzielle Änderung des Kondensatoraufbaus innerhalb des Könnens eines Fachmanns liegt und keine weitere Erläuterung deshalb hier notwendig ist.
VI. Schlussfolgerung
Verschiedene Kondensatorschutz- und Ausgleichsmodule, Systeme und Kondensatorvorrichtungen mit integrierten Schutz- und Ausgleichsmerkmalen wurden offenbart, die einen Schutz für einzelne Kondensatoren und ein Ausgleichen und einen Schutz von in Serie gestapelten Kondensatoren und parallelen Kondensatoren bereitstellen. Die Module, Systeme und Kondensatorvorrichtungen können mit relativ geringen Kosten bereitgestellt werden und können miteinander in einer universellen und stark anpassbaren Art und Weise kombiniert werden, um einen weiten Bereich von Kondensatorsystemen zuverlässig schützen zu können, den herkömmliche Ausgleichsvorrichtungen, Systeme, und Kondensatorvorrichtungen einfach nicht erreichen können. Obwohl die Module, System und Vorrichtungen, die hier beschrieben worden sind, als besonders vorteilhaft für Superkondensa torprodukte und Gleichstromtopologien betrachtet werden, ist es offensichtlich, dass die Vorteil der Erfindung auch für andere Kondensatortypen und Schaltungstopologien genauso gelten.
Obwohl die Erfindung gemäß verschiedenen, speziellen Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennen Fachleute, dass die Erfindung mit Modifikation innerhalb des Prinzips und des Bereichs der Ansprüche praktiziert werden kann.

Claims

System, das eine spulenfreie Schaltung zum Steuern von Spannungsungleichgewichten zwischen einem Paar von Kondensatoren hat, die in einer Serienanordnung verbunden sind, und das aufweist: einen ersten Anschluss, der für die Verbindung mit einer positiven Platte des ersten Kondensators aufgebaut ist; einen zweiten Anschluss, der für die Verbindung mit einer negativen Platte des ersten Kondensators und mit einer positiven Platte des zweiten Kondensators aufgebaut ist; einen dritten Anschluss, der für die Verbindung mit einer negativen Platte des zweiten Kondensators aufgebaut ist; und ein aktives Element, das innerhalb der spulenfreien Schaltung zwischen dem ersten, dem zweiten und dem dritten Anschluss integriert und angepasst ist, die Spannungsungleichgewichte zwischen dem Paar von Kondensatoren im Wesentlichen auszugleichen, wobei das aktive Element Versorgungsverbindungen mit dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss hat.
System nach Anspruch 1, worin das aktive Element ein erstes MOSFET-Element und ein zweites MOSFET-Element aufweist, die jeweils mit einem Kondensator des Paares von Kondensatoren verbunden sind.
System nach Anspruch 1, worin das aktive Element auf einen absoluten Spannungswert reagiert, der an den jeweiligen Kondensatoren in dem Paar anliegt.
System nach Anspruch 1, worin das aktive Element auf eine schwebende Referenzspannung reagiert, die einem Ungleichgewicht zwischen den jeweiligen Kondensatoren in dem Paar zugeordnet ist.
System nach Anspruch 1, worin das aktive Element ein erstes, aktives Element und ein zweites, aktives Element aufweist, wobei die aktiven Elemente jeweils dafür ausgelegt sind, einen Strom um die jeweiligen Kondensatoren in dem Paar nebenzuschließen, wenn eine Spannung an den jeweiligen Kondensatoren einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
System nach Anspruch 1, worin das aktive Element zumindest ein MOSFET-Element aufweist, wobei das MOSFET-Element einen Einschaltspannungsschwellenwert hat, der ungefähr gleich einer Nennspannung für jeden der Kondensatoren in dem Paar ist.
System nach Anspruch 1, worin das aktive Element eine erste Vorrichtung und eine zweite Vorrichtung aufweist, wobei jede von den ersten und zweiten Vorrichtungen eine Einschaltspannung hat, bei der die Vorrichtung von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand schaltet, wobei die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung einen Nebenschlussstromweg um mindestens einen der Kondensatoren in dem Paar definiert, wenn eine Spannung an dem Kondensator die Summe der Einschaltspannungen der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung überschreitet.
System nach Anspruch 7, worin die erste Vorrichtung ein MOSFET-Element aufweist.
System nach Anspruch 7, worin die zweite Vorrichtung aus der Gruppe mit einem MOSFET-Element, einer Diode und einem Transistor ausgewählt ist.
System nach Anspruch 1, worin das aktive Element ein erstes, aktives Element und ein zweites, aktives Element aufweist und nur eines der Elemente mit einem Spannungsteilernetzwerk verbunden ist.
System nach Anspruch 1, worin das aktive Element ein erstes, aktives Element und ein zweites, aktives Element aufweist, wobei eines der aktiven Elemente ein MOSFET-Element vom n-Typ ist und das andere der aktiven Elemente ein MOSFET-Element vom p-Typ ist.
System nach Anspruch 1, worin die Kondensatoren in dem Paar jeweils mit einem Schaltungsmodul verbunden sind, wobei jeder der Module ein aktives Element zum Steuern der Spannung an dem jeweiligen Kondensator hat.
System nach Anspruch 12, worin das aktive Element in jedem Modul von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand selbst schaltet, wenn eine Spannung an dem jeweiligen Kondensator einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
System nach Anspruch 12, worin das aktive Element in einem der Module mit Oberflächenmontageflächen auf einem Substrat verbunden ist, wobei die Flächen an zwei von den ersten, zweiten und dritten Anschlüssen oberflächenmontiert ist.
System nach Anspruch 12, worin das aktive Element in einem der Module an einem Substrat angebracht ist, wobei das Substrat Durchgangslöcher enthält, die zwei von den ersten, zweiten und dritten Anschlüssen empfangen.
Kondensatorschutz- und Ausgleichssystem, das aufweist: mindestens einen Schaltungsmodul, der aufweist: mindestens einen Kondensator, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss hat; und ein aktives Element, das an dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verbunden ist, wobei das aktive Element von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand in Antwort auf einen absoluten Spannungswert an dem Kondensator schaltet, der einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert überschreitet, wobei das aktive Element einen Nebenschlussstromweg um den Kondensator definiert, wenn es in dem Ein-Zustand ist.
System nach Anspruch 16, worin das aktive Element ein MOS-FET-Element ist.
System nach Anspruch 16, worin das aktive Element selbstschaltend zwischen dem Ein-Zustand und dem Aus-Zustand ist.
System nach Anspruch 16, worin das aktive Element eine Einschaltspannung hat, worin das Element zwischen dem Ein-Zustand und dem Aus-Zustand schaltet, wobei die Einschaltspannung mit dem vorgegebenen Schwellenwert übereinstimmt.
System nach Anspruch 16, worin der Kondensator eine Nennspannung hat und das aktive Element eine Einschaltspannung hat, worin das Element zwischen dem Ein-Zustand und dem Aus-Zustand schaltet, wobei das System weiterhin ein Spannungsteilernetzwerk aufweist, das mit dem aktiven Element verbunden ist, wobei das Teilernetzwerk Widerstände R₁ und R₂ enthält, und wobei die Einschaltspannung gemäß der Beziehung ausgewählt ist:
wobei ein Nebenschlussstrom um den Kondensator zu fließen beginnt, wenn der vorgegebene Schwellenwert überschritten wird.
System nach Anspruch 16, worin das aktive Element eine erste Einschaltspannung hat, wobei das Element zwischen dem Ein-Zustand und dem Aus-Zustand schaltet, wobei das System weiterhin eine Hilfsvorrichtung aufweist, die in Serie mit dem aktiven Element verbunden ist, wobei die Hilfsvorrichtung eine zweite Einschaltspannung hat, die verursacht, dass die Hilfs vorrichtung zwischen dem Aus-Zustand und dem Ein-Zustand schaltet, wodurch Strom durch den Nebenschlussstromweg fließt, wenn der absolute Spannungswert an dem Kondensator die Summe aus der ersten Einschaltspannung und der zweiten Einschaltspannung überschreitet.
System nach Anspruch 16, das weiterhin einen zweiten Schaltungsmodul aufweist, der einen Kondensator und ein aktives Element hat, wobei der Kondensator des zweiten Schaltungsmoduls in Serie mit dem Kondensator des mindestens einen Moduls verbunden ist.
System nach Anspruch 16, das weiterhin einen zweiten Schaltungsmodul aufweist, der einen Kondensator und ein aktives Element hat, wobei der Kondensator des zweiten Schaltungsmoduls parallel zu dem Kondensator des mindestens einen Moduls verbunden ist.
System nach Anspruch 16, das weiterhin einen zweiten Schaltungsmodul aufweist, der einen Kondensator und ein aktives Element hat, wobei das aktive Element des zweiten Schaltungsmoduls unterschiedlich zu dem aktiven Element des mindestens einen Schaltungsmoduls ist.
System nach Anspruch 24, worin der Kondensator des ersten Moduls und der Kondensator des mindestens einen Schaltungsmoduls unterschiedliche Nennspannungen hat.
System nach Anspruch 24, worin das aktive Element des zweiten Moduls und das aktive Element des zweiten Moduls unterschiedliche Einschaltspannungen haben.
System nach Anspruch 24, worin das aktive Element des zweiten Moduls ein MOSFET-Element vom n-Typ ist und worin das aktive Element des mindestens einen Moduls ein MOSFET-Element vom p-Typ ist.
System nach Anspruch 16, das weiterhin ein zweites Kondensatorpaar aufweist, das in Serie mit dem Kondensator des mindestens einen Moduls verbunden ist, wobei das zweite aktive Element in Serie mit dem aktiven Element des mindestens einen Moduls verbunden ist, wobei das zweite aktive Element auch einen Nebenschlussstromweg um die Kondensatoren ausbildet und wobei das erste aktive Element und das zweite aktive Element in einen Ein-Zustand in Antwort auf ein Spannungsungleichgewicht an dem Kondensatorpaar schalten.
System nach Anspruch 16, worin der mindestens eine Kondensator einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator aufweist, die parallel verbunden sind.
Kondensatorschutz- und Ausgleichsschaltungsmodul, der aufweist: einen Kondensator, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss hat; und ein aktives MOSFET-Element, das mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verbunden ist, wobei das MOSFET-Element zum Selbstschalten von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand in Antwort auf einen absoluten Spannungswert an dem Kondensator aufgebaut ist, der einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert überschreitet, welcher einer Nennspannung des Kondensators entspricht, wobei das aktive Element einen Nebenschlussstromweg um den Kondensator ausbildet, wenn es in dem Ein-Zustand ist, und verhindert, dass die Spannung an dem Kondensator die Nennspannung überschreitet.
Modul nach Anspruch 30, worin das MOSFET-Element eine Einschaltspannung hat, worin das Element zwischen dem Ein-Zustand und dem Aus-Zustand schaltet, worin der Modul weiterhin ein Spannungsteilernetzwerk aufweist, das mit dem aktiven Element verbunden ist, worin das Teilernetzwerk Widerstände R₁ und R₂ enthält, wobei die Einschaltspannung durch die Beziehung gegeben ist:
wobei ein Nebenschlussstrom um den Kondensator zu fließen beginnt, wenn der vorgegebene Schwellenwert überschritten wird.
System nach Anspruch 30, worin das aktive MOSFET-Element eine erste Einschaltspannung hat, worin das Element zwischen dem Ein-Zustand und dem Aus-Zustand schaltet, worin das System weiterhin eine Hilfsvorrichtung aufweist, die in Serie mit dem aktiven Element verbunden ist, worin die Hilfsvorrichtung eine zweite Einschaltspannung hat, die verursacht, dass die Hilfsvorrichtung zwischen dem Aus-Zustand und dem Ein-Zustand schaltet, wodurch Strom durch den Nebenschlussstromweg fließt, wenn der absolute Spannungswert an dem Kondensator die Summe aus der ersten Einschaltspannung und der zweiten Einschaltspannung überschreitet.
System nach Anspruch 30, worin die Hilfsvorrichtung aus der Gruppe mit einem Transistor, einer Diode, einem MOSFET-Element und Äquivalenten davon ausgewählt ist.
Kondensatorschutz- und Ausgleichsschaltungsmodul, der aufweist: eine Kondensatorvorrichtung, die einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss hat; und eine Einrichtung zum Steuern einer absoluten Spannung an dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss, wobei die Einrichtung zum Steuern an dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verbunden ist, wobei die Einrichtung zum Steuern spu lenfrei ist und selbst von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand alleine in Antwort auf absolute Spannungswerte schaltet, die an dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss anliegen und die eine Nennspannung des Kondensators überschreiten, wobei das aktive Element einen Nebenschlussstromweg um den Kondensator ausbildet, wenn es in dem Ein-Zustand ist, und verhindert, dass die Spannung an dem Kondensator die Nennspannung überschreitet.
Modul nach Anspruch 34, worin die Einrichtung zum Steuern permanent an der Kondensatorvorrichtung angebracht ist.
Modul nach Anspruch 34, worin die Einrichtung zum Steuern mit der Kondensatorvorrichtung zusammengebaut ist.
Modul nach Anspruch 34, worin die Kondensatorvorrichtung ein Gehäuse enthält und worin die Einrichtung zum Steuern an dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss an einem Ort außerhalb des Gehäuses angebracht ist.
Modul nach Anspruch 34, worin die Einrichtung zum Steuern auf ein Spannungsungleichgewicht an dem Kondensatorpaar reagiert.
Kondensatorvorrichtung, die aufweist: ein Kondensatorgehäuse; Anschlusselemente, die sich von dem Gehäuse aus erstrecken; und eine Anordnung mit aktiver Komponente, die an den Anschlusselementen angebracht ist und betriebsmäßig mit dem Anschlusselement verbunden ist, wobei die Anordnung mit aktiver Komponente ein aktives Element aufweist, das einen Nebenschlussstromweg ausbildet, wobei das aktive Element zum Steuern des Nebenschlussstromwegs in Antwort auf einen absoluten Spannungswert selbst schaltet, der an den Anschlusselementen auf tritt, und eine Spannung an den Anschlusselementen auf einem Wert unterhalb einer Nennspannung für den Kondensator aufrechterhält.
Kondensatorvorrichtung nach Anspruch 39, die weiterhin ein kompressibles Dichtungselement aufweist, das in Eingriff mit dem Kondensatorgehäuse ist, wobei die Anordnung mit aktiver Komponente in das kompressible Dichtungselement eingebettet ist.
Kondensatorvorrichtung nach Anspruch 39, worin die Anordnung mit aktiver Komponente ein aktives Element aufweist, das an einem Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat Oberflächenmontageflächen enthält, die das aktive Element zwischen dem Anschlusselement verbinden.
Kondensatorvorrichtung nach Anspruch 39, worin die Anschlusselemente Anschlusskontakte aufweisen, wobei das aktive Element auslenkbare bzw. biegbare Kontakte hat, die an die Anschlusskontakte geklemmt sind.
Kondensatorvorrichtung nach Anspruch 39, worin die Anordnung mit aktiver Komponente ein aktives Element aufweist, das an einem Substrat angebracht ist, wobei das Substrat Durchgangslöcher enthält und wobei die Anschlusselemente durch die Durchgangslöcher hindurchgehen und mit dem aktiven Element verbunden sind.
Kondensatorvorrichtung nach Anspruch 39, worin das aktive Element mindestens eine Vorrichtung aufweist, die aus der Gruppe mit einem MOSFET-Element, einem Transistorelement, einem Diodenelement und Äquivalenten und Kombinationen davon ausgewählt ist.
Kondensatorvorrichtung in Übereinstimmung mit Anspruch 39, worin der Kondensator ein Superkondensator ist.