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Die
Erfindung betrifft einen Multiphasen-Gleichspannungswandler.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 101 10 615
A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Ansteuerimpulsen
für Leistungshalbleiter, insbesondere zum Zwecke einer
Generierung versetzter Ansteuerungsimpulse für Halbbrücken,
die an Mehrphasenumrichtern oder Gleichspannungsumrichtern aufgenommen
sind, bekannt. Bei diesem Verfahren erfolgt ein Verschieben der
Referenzspannung um eine den Versetzungen entsprechende Verzögerungszeit
oder ein Verschieben eines PWM-Signals um eine Verzögerungszeit,
die der Periodendauer geteilt durch die Anzahl der Versetzungen
entspricht.
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Aus
der
DE 101 19 985
A1 ist eine Vorrichtung zur Energieeinspeisung in ein Mehrspannungsbordnetz
eines Kraftfahrzeugs bekannt. Diese Vorrichtung weist ein in einem
Kraftfahrzeug angeordnetes Mehrspannungsbordnetz auf, das zumindest
ein erstes und ein zweites Spannungsniveau, jeweils von dem Bezugspotential
verschieden, bereitstellt. Das Mehrspannungsbordnetz wird aus zumindest
einem elektrischen Energiespeicher gespeist. Es weist des weiteren
zumindest einen Wandler zur Verbindung der beiden Spannungsniveaus
auf. Ferner sind Einspeisemittel zur externen Energieeinspeisung
in das Mehrspannungsbordnetz vorgesehen. Der genannte Wandler kann
in Form eines Multiphasenwandlers realisiert sein. Bei derartigen
Wandlern werden mehrere Wandlerzellen kleinerer Leistung parallel
geschaltet und die Leistungsteile zeitversetzt getaktet. Hierbei
werden auf Grund von Auslöschungseffekten Filter bausteine
eingespart. Mit derartigen Multiphasenwandlern wird es möglich,
die ersten und zweiten Wandler mit den vorhandenen Phasen eines
einzigen Multiphasenwandlers zu realisieren. Hierzu werden die Phasen
aufgeteilt in Wandler mit Abwärts- und Aufwärtswandlerfunktion.
Die Phasen werden dann wandlerintern über einen Schalter
eingangsseitig getrennt.
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In
zukünftigen Energiebordnetzen von Kraftfahrzeugen werden
leistungsstarke Gleichspannungswandler benötigt, um den
Energiefluss zwischen verschiedenen Spannungsebenen regeln zu können.
Ein derartiger Einsatz im Kraftfahrzeugbereich erfordert auf Grund
von Kosten-, Bauraum- und Gewichtsbeschränkungen eine Minimierung
der Induktivitäten und Kapazitäten sowie der Anzahl
der Bauelemente insgesamt. Diesen Beschränkungen kann man
gerecht werden, indem man als Gleichspannungswandler Multiphasen-Gleichspannungswandler
verwendet. Bei diesen wird die zu übertragende Leistung
auf mehrere Wandlerzellen aufgeteilt. Wendet man bei diesem Prinzip
eine zeitversetzte Taktung der Wandlerzellen an, dann heben sich
im überlagerten Ausgangssignal die Stromrippel teilweise
auf bzw. reduzieren sich um einen wesentlichen Betrag. Die Frequenz
des Ausgangssignals des Gleichspannungswandlers erhöht
sich um die Anzahl der versetzt getakteten Wandlerzellen gegenüber
der Grundtaktfrequenz der Wandlerzellen. Durch die kleineren Rippel
und die höhere Frequenz können die Ausgangsfilter
des Gleichspannungswandlers kleiner ausgelegt werden. Dadurch wird
ein Kosten- und Bauraumvorteil erzielt.
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Zur
effizienten Nutzung dieses Verfahrens muss für jede Wandlerzelle
ein Stromsensor verwendet werden, um die zugehörigen Stromrippel überwachen
und regeln zu können. Ohne eine derartige Einzelphasenregelung
können durch Bauteiletoleranzen die Rippel je Phase unterschiedlich
hoch sein, wodurch der zuvor angesprochene Vorteil bei der Überlagerung
der Ausgangssignale der Wandlerzellen nicht mehr wirksam ist. Die
Rippel im Ausgangssignal werden größer und die
Frequenz des Ausgangssignals nimmt wieder den gleichen Wert an wie
die Schaltfrequenz der einzelnen Wandlerzellen. Dadurch werden die
zuvor erwähnten Vorteile wieder aufgehoben.
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Vorteile der Erfindung
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Ein
Multiphasen-Gleichspannungswandler mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die
Anzahl seiner Stromsensoren reduziert ist. Dadurch werden die Kosten
eines Multiphasen-Gleichspannungswandlers wesentlich reduziert.
Darüber hinaus wird Bauraum eingespart und das Gewicht
eines Multiphasen-Gleichspannungswandlers reduziert. Dies begünstigt
die Verwendung eines Multiphasen-Gleichspannungswandlers im Energiebordnetz eines
Kraftfahrzeugs.
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Die
vorstehend genannten Vorteile werden dadurch erreicht, dass die
parallel zueinander angeordneten und zeitversetzt getakteten Wandlerzellen eingangsseitig
und/oder ausgangsseitig mit einem Spannungssensor verbunden sind,
welcher über einen Analog-Digital-Wandler mit einem Separator
verbunden ist, welcher zur Zerlegung des Ausgangssignals des Analog-Digital-Wandlers
in den einzelnen Wandlerzellen des Multiphasen-Gleichspannungswandlers
zugeordnete Spannungswerte vorgesehen ist. Der Separator wiederum
ist mit einer Regelanordnung verbunden, welche ausgangsseitig Regelsignale
bereitstellt, durch welche die Taktsignale der Wandlerzellen derart
beeinflusst bzw. geregelt werden, dass die den verschiedenen Wandlerzellen
zugehörigen Spannungswerte übereinstimmen. Dies hat
zur Folge, dass sich die Spannungsrippel der einzelnen Wandlerzellen
aufheben und sich die Frequenz des Ausgangssignals des Spannungswandlers
um die Anzahl der versetzt getakteten Phasen bzw. Wandlerzellen
gegenüber der Grundtaktfrequenz der Wandlerzellen erhöht.
Auf Grund der kleineren Rippel und der höheren Frequenz
kann das Ausgangsfilter des Multiphasen-Gleichspannungswandlers
kleiner ausgelegt werden, wodurch ein weiterer Kosten- und Bauraumvorteil
erzielt wird.
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Vorzugsweise
weist ein Multiphasen-Gleichspannungswandler gemäß der
Erfindung einen Separator auf, der mehrere parallel zueinander angeordnete,
zeitgetriggerte Separatoreinheiten enthält, von denen jede
einer der Wandlerzellen zugeordnet ist. Durch diese Maßnahme
kann gewährleistet werden, dass während des Einschaltens
einer Wandlerzelle bzw. – je nach Tastverhältnis
auch während des Ausschaltens einer Wandlerzelle – der
in dieser Zeit gemessene Spannungspegel am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers
dieser Wandlerzelle direkt zugeordnet werden kann. Auf diese Weise
kann aus dem Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers für jede
Wandlerzellenein zugehöriger Spannungspegel erhalten werden,
der zur Beeinflussung des Taktsignals der jeweiligen Wandlerzelle
verwendet wird.
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Das
zur Triggerung der Separatoreinheiten benötigte Triggersignal
wird in vorteilhafter Weise vom Ausgangssignal eines PWM-Generators
abgeleitet, welcher der jeweiligen Wandlerzelle zugeordnet ist und
das Taktsignal für diese Wandlerzelle bereitstellt. Die
Taktung einer Wandlerzelle und die Triggerung der zugehörigen
Separatoreinheit können folglich in vorteilhafter Weise
auf Basis eines einzigen Signals erfolgen, welches von einem PWM-Generator
bereitgestellt wird.
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Vorzugsweise
weist die mit dem Separator verbundene Regelanordnung mehrere parallel
zueinander angeordnete Regler auf, von denen jeder einer der Wandlerzellen
zugeordnet ist, wobei der Eingang jedes der Regler mit dem Ausgang
der jeweils zugehörigen Separatoreinheit verbunden ist.
Auf diese Weise kann für jede der Wandlerzellen in einfacher Weise
ein Regelsignal bereitgestellt werden, welches das Taktsignal der
zugehörigen Wandlerzelle in gewünschter Weise
beeinflusst.
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In
vorteilhafter Weise ist der Ausgang der Regler jeweils über
einen Addierer mit dem jeweils zugehörigen PWM-Signalgenerator
verbunden. In diesem Addierer werden jeweils das vom zugehörigen
Regler bereitgestellte Regelsignal sowie ein von einem weiteren
Regler abgeleitetes weiteres Regelsignal überlagert. Dieser
weitere Regler ist mit einem Stromsollwertgeber und über
einen weiteren Analog-Digital-Wandler mit einem Stromsensor verbunden,
welcher zwischen dem Ausgang der Wandlerzellen und einem Ausgangsfilter
positioniert ist.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht nach alledem darin, dass
ein Multiphasen-Gleichspannungswandler unabhängig von der Anzahl
seiner Wandlerzellen bzw. Phasen mit nur einem einzigen Stromsensor
auskommt, der auf der Ausgangsseite der Wandlerzellen angeordnet
ist. Dennoch kann auf Grund der Verwendung eines auf der Eingangsseite
bzw. der Ausgangsseite der Wandlerzellen vorgesehenen Spannungssensors, aus
dessen Ausgangssignal mittels eines Separators den einzelnen Phasen
des Wandlers zugehörige Spannungswerte bzw. Spannungspegel
separiert werden, eine individuelle Nachregelung jeder einzelnen
Wandlerzelle erfolgen, so dass sich beispielsweise auf Grund von
Bauteiletoleranzen gebildete Rippel reduzieren oder gegenseitig
aufheben.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren
beispielhafter Erläuterung anhand der Zeichnung.
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Zeichnung
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Die 1 zeigt
eine Blockdarstellung eines Multiphasen-Gleichspannungswandlers
gemäß der Erfindung.
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Die 2 zeigt
ein Schaltbild, in welchem der grundsätzliche Aufbau der
Wandlerzellen eines Multiphasen-Gleichspannungswandlers ersichtlich ist.
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Beschreibung
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Die 1 zeigt
eine Blockdarstellung eines Multiphasen-Gleichspannungswandlers 1 gemäß der Erfindung.
Dieser weist einen Eingangsanschluss 2 auf, an welchem
die Eingangsspannung VIN des Wandlers anliegt.
Diese beträgt beispielsweise 14 Volt. Die Aufgabe des Wandlers
besteht darin, diese Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umzuwandeln,
die beispielsweise 42 Volt beträgt. Diese Ausgangsspannung
VOUT des Wandlers wird an einem Ausgangsanschluss 10 zur
Verfügung gestellt.
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Der
in der 1 dargestellte Multiphasen-Gleichspannungswandler
weist ein mit dem Eingangsanschluss 2 verbundenes Eingangsfilter 3 auf, bei
welchem es sich um ein Tiefpassfilter handelt, mittels welchem Störungen
auf die Eingangsspannung gefiltert werden. Der Ausgang des Eingangsfilters 3 ist
mit einer Parallelschaltung mehrerer Wandlerzellen 4, 5, 6 verbunden,
wobei die Anzahl dieser parallel zueinander geschalteten Wandlerzellen
vom jeweils vorliegenden Anwendungsfall abhängt.
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Die
Ausgänge der Wandlerzellen 4, 5, 6 sind wieder
zusammengeführt und über einen Stromsensor 8 und
ein Ausgangsfilter 9 mit dem Ausgangsanschluss 10 verbunden.
Des weiteren ist zwischen den Ausgängen der Wandlerzellen 4, 5, 6 und
Masse ein Spannungssensor 7 vorgesehen. Bei dem Ausgangsfilter 9 handelt
es sich beispielsweise ebenfalls um ein Tiefpassfilter.
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Das
Ausgangssignal des Spannungssensors 7 wird in einem Analog-Digital-Wandler 11 in
ein digitales Signal umgesetzt. Dieses am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 11 vorliegende
digitale Signal wird an einen Separator 12 weitergeleitet.
Dieser wiederum ist mit einer Regelanordnung 13 verbunden,
welche an ihren Ausgängen Regelsignale bereitstellt, mittels
welcher die Taktsignale CK1, CK2, CK3 der Wandlerzellen 4, 5, 6 beeinflusst
werden.
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Der
Separator 12 weist drei zueinander parallel geschaltete
Separatoreinheiten 12a, 12b, 12c auf,
deren Eingängen jeweils mit dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 11 verbunden
sind. Die Separatoreinheit 12a hat die Aufgabe, aus dem
Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 11 einen der
Wandlerzelle 4 zugeordneten Spannungspegel zu separieren.
Zu diesem Zweck wird dem Triggereingang der Separatoreinheit 12a ein
Triggersignal t1 zugeführt, welches vom Taktsignal CK1
der Wandlerzelle 4 abgeleitet ist und beim gezeigten Ausführungsbeispiel
mit diesem übereinstimmt. Die Separatoreinheit 12b hat
die Aufgabe, aus dem Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 11 einen der
Wandlerzelle 5 zugeordneten Spannungspegel zu separieren.
Zu diesem Zweck wird dem Triggereingang der Separatoreinheit 12b ein
Triggersignal 12 zugeführt, welches vom Taktsignal
CK2 der Wandlerzelle 5 abgeleitet ist und beim gezeigten Ausführungsbeispiel
mit diesem übereinstimmt. Die Separatoreinheit 12c hat
die Aufgabe, aus dem Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 11 einen der
Wandlerzelle 6 zugeordneten Spannungspegel zu separieren.
Zu diesem Zweck wird dem Triggereingang der Separatoreinheit 12c ein
Triggersignal T3 zugeführt, welches vom Taktsignal CK3
der Wandlerzelle 6 abgeleitet ist und beim gezeigten Ausführungsbeispiel
mit diesem übereinstimmt.
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Der
am Ausgang der Separatoreinheit 12a bereitgestellte Spannungspegel
wird in einem Spannungsregler 13a der Regelanordnung 13 in
ein der Wandlerzelle 4 zugeordnetes Regelsignal umgesetzt.
Dieses Regelsignal wird in einem Addierer 15a mit dem Regelsignal
eines weiteren Reglers 16 überlagert, bei dem
es sich um einen Stromregler handelt. Dem Stromregler 16 werden
eingangsseitig ein von einem Stromsollwertgeber 18 bereitgestellter
Stromsollwert ISOLL und ein vom Stromsensor 8 abgeleitetes und über
einen weiteren Analog-Digital-Wandler 17 geleitetes Stromwertsignal
zugeführt. Das Ausgangssignal des Addierers 15a wird
in einem PWM-Generator 14a in ein PWM-Signal umgesetzt, bei
welchem es sich um das Taktsignal CK1 der Wandlerzelle 4 handelt.
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Der
am Ausgang der Separatoreinheit 12b bereitgestellte Spannungspegel
wird in einem Spannungsregler 13b der Regelanordnung 13 in
ein der Wandlerzelle 5 zugeordnetes Regelsignal umgesetzt.
Dieses Regelsignal wird in einem Addierer 15b ebenfalls
mit dem Regelsignal des Stromreglers 16 überlagert.
Das Ausgangssignal des Addierers 15b wird in einem PWM-Generator 14b in
ein PWM-Signal umgesetzt, bei welchem es sich um das Taktsignal
CK2 der Wandlerzelle 5 handelt.
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Der
am Ausgang der Separatoreinheit 12c bereitgestellte Spannungspegel
wird in einem Spannungsregler 13c der Regelanordnung 13 in
ein der Wandlerzelle 6 zugeordnetes Regelsignal umgesetzt.
Dieses Regelsignal wird in einem Addierer 15c ebenfalls
mit dem Regelsignal des Stromreglers 16 überlagert.
Das Ausgangssignal des Addierers 15c wird in einem PWM-Generator 14c in
ein PWM-Signal umgesetzt, bei welchem es sich um das Taktsignal
CK3 der Wandlerzelle 6 handelt.
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Wie
aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich ist, ist
bei einem Multiphasen-Gleichspannungswandler gemäß der
Erfindung eine unter Verwendung einer Vielzahl von Stromsensoren
erfolgende Einzelphasenstrommessung nicht notwendig. Es wird nur
ein einziger Stromsensor 8 verwendet, welcher zwischen
den Ausgängen der Wandlerzellen und dem Ausgangsfilter
positioniert ist. Des weiteren ist ein ebenfalls zwischen den Ausgängen
der Wandlerzellen und dem Ausgangsfilter positionierter Spannungssensor 7 vorgesehen,
dessen Ausgangssignal über einen Analog-Digital- Wandler 11 an
einen Separator 12 weitergeleitet wird. Dieser zerlegt
unter Anwendung einer geeigneten Triggerung das Ausgangssignal des
Analog-Digital-Wandlers in den einzelnen Phasen des Wandlers bzw.
den einzelnen Wandlerzellen zugehörige Spannungswerte.
Diese werden in einer Regelanordnung 13 in Regelsignale umgesetzt,
welche die Taktsignale CK1, CK2, CK3 der Wandlerzellen beeinflussen.
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Die 2 zeigt
ein Schaltbild, aus welchem der grundsätzliche Aufbau der
Wandlerzellen eines Multiphasen-Gleichspannungswandlers ersichtlich ist.
Aus diesem Schaltbild geht hervor, dass die am Eingangsanschluss
anliegende Eingangsspannung VIN über
ein Tiefpassfilter, welches beispielsweise einen gegen Masse geschalteten
Kondensator CIN aufweist, an eine Parallelschaltung
von n Wandlerzellen, beim gezeigten Ausführungsbeispiel
drei Wandlerzellen, gelegt ist. Diese Wandlerzellen werden zeitversetzt
getaktet.
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Der
Wandlerzelle 4 ist eine Phase 1, der Wandlerzelle 5 eine
Phase 2 und der Wandlerzelle 6 eine Phase 3 zugeordnet.
Die Wandlerzelle 4 weist einen mit dem Eingang der Parallelschaltung
verbundenen Transistor T11, einen an den
Ausgang des PWM-Generators 14a angeschlossenen Transistor T12 und eine Spule L auf. Der eine Anschluss
der Spule L ist an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren
T11 und T12 gelegt.
Der andere Anschluss der Spule L ist mit dem Ausgang der Parallelschaltung
verbunden. Die Wandlerzelle 5 weist einen mit dem Eingang
der Parallelschaltung verbundenen Transistor T21,
einen an den Ausgang des PWM-Generators 14b angeschlossenen
Transistor T22 und eine Spule L auf. Der
eine Anschluss der Spule L ist an den Verbindungspunkt zwischen
den beiden Transistoren T21 und T22 gelegt. Der andere Anschluss der Spule
L ist mit dem Ausgang der Parallelschaltung verbunden. Die Wandlerzelle 6 weist einen
mit dem Eingang der Parallelschaltung verbundenen Transistor T31, einen an den Ausgang des PWM-Generators 14c angeschlossenen
Transistor T32 und eine Spule L auf. Der
eine Anschluss der Spule L ist an den Verbindungspunkt zwischen
den beiden Transistoren T31 und T32 gelegt. Der andere Anschluss der Spule
L ist mit dem Ausgang der Parallelschaltung verbunden.
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Der
Ausgang der Parallelschaltung ist über ein Ausgangsfilter,
welches einen gegen Masse geschalteten Kondensator COUT aufweist,
mit dem Ausgangsanschluss VOUT des Multiphasen-Gleichspannungswandlers
verbunden.
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Durch
die beschriebene zeitversetzte Taktung der Transistoren T12, T22 und T32 werden die Wandlerzellen des Multiphasen-Gleichspannungswandlers
zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert. Während dieser Zeiten
erfolgt – wie es im Zusammenhang mit der 1 erläutert
wurde – eine Erfassung des zugehörigen Spannungspegels
am Ausgang des Wandlers unter Verwendung eines Spannungssensors,
eines Analog-Digital-Wandlers und eines Separators. Dieser Strompegel,
welcher der jeweiligen Wandlerzelle individuell zugeordnet ist,
wird in einem Regler in ein Regelsignal umgewandelt, welches zur Beeinflussung
des Taktsignals für die jeweilige Wandlerzelle verwendet
wird.
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Eine
alternative Ausführungsform besteht darin, zusätzlich
zu dem am Ausgang der Wandlerzellen angeordneten Stromsensor auch
am Eingang der Wandlerzellen einen Stromsensor anzuordnen, um auch
eine Regelung des Eingangsstromes des Wandlers vorzunehmen.
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Eine
weitere Alternative besteht darin, einen bidirektionalen Multiphasen-Gleichspannungswandler
zu realisieren. Bei diesem ist sowohl auf der Eingangsseite als
auch auf der Ausgangsseite der Wandlerzellen jeweils ein Spannungssensor
und ein Stromsensor vorgesehen, wobei das Ausgangssignal des Spannungssensors
jeweils über einen Analog-Digital-Wandler und einen Separator
ausgewertet wird.
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Die
in der 1 gezeigten Bauteile 11, 12, 13, 14a, 14b, 14c, 15a, 15b, 15c, 16 und 17 können in
Form einer diskreten Schaltung oder in Form eines Prozessors realisiert
sein.
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Bei
dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Eingangsspannung
von 14 V mittels des Gleichspannungswandlers umgesetzt in eine Ausgangsspannung
von 42 V. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel
beschränkt. Die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung
können auch andere Werte aufweisen. Insbesondere kann die
Eingangsspannung auch größer sein als die Ausgangsspannung.
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Des
weiteren kann es sich bei einem Multiphasen-Gleichspannungswandler
gemäß der Erfindung auch um einen bidirektionalen
Hoch-/Tiefsetzsteller mit vier Transistoren pro Wandlerzelle handeln.
Hierbei werden je Anschlussseite der Wandlerzellen ein Spannungs-
und ein Stromsensor eingesetzt.
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Ferner
wurde beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal
eines Spannungssensors 7 über einen Analog-Digital-Wandler 11 an
einen Separator 12 geleitet. Alternativ hierzu kann auch
ein Stromsensor als Signalquelle für den Separator dienen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10110615
A1 [0002]
- - DE 10119985 A1 [0003]