DE102018216345A1 - Vorrichtung zur Stabilisierung eines Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems - Google Patents

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SeongJu Kim
Joonsik AN
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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems, in dem die Vorrichtung mehrere ihrer Schalter steuert, um wahlweise ihre Inverterschaltung oder ihre Spannungsstabilisierungsschaltung zu aktivieren, um dadurch eine Instabilität der DC-Spannung, die in einer transienten Zeitspanne erzeugt werden kann, abzumildern oder um einen mit der Vorrichtung verbundenen Motor anzutreiben.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems, in dem die Vorrichtung mehrere ihrer Schalter steuert, um wahlweise ihre Inverterschaltung oder ihre Spannungsstabilisierungsschaltung zu aktivieren, um dadurch die Instabilität der DC-Spannung, die in einer transienten Zeitspanne erzeugt wird, abzumildern, oder einen an die Vorrichtung angeschlossenen Motor anzutreiben.
  • Verwandte Technik
  • Ein Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem ist frei von einer Blindwiderstandskomponente und leidet somit unter keinen Verlusten aufgrund von Blindleistung. Ferner ist das Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem frei von einer Frequenzeigenschaft und leidet somit unter keinem Skin-Effekt. Daher ist das DC-Verteilungssystem in der Hinsicht vorteilhaft, dass sein Energieverteilungswirkungsgrad höher als der eines AC-Verteilungssystems ist.
  • In den letzten Jahren wird die Erzeugung erneuerbarer Energien kommerzialisiert, und Leistungsumwandlungsvorrichtungen auf hoher Wirkungsgradbasis und DC-Lasten, etc. werden entwickelt. Aus diesem Grund steht das Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem im Mittelpunkt.
  • Das Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem kann eine Leistungsversorgungsstufe, eine Verteilungsstufe und eine Laststufe umfassen. Eine DC-Spannungsversorgungsstufenspannung von der Leistungsversorgungsstufe kann über die Verteilungsstufe an jede mit der Laststufe verbundene Last angeleggt werden.
  • Wenn jedoch eine große Anzahl von Lasten mit dem Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem verbunden sind, tritt aufgrund der Wechselwirkung zwischen einer in der Last enthaltenen Leistungsumwandlungsvorrichtung und dem System die Leistungsversorgungsstufen-Spannungsinstabilität auf. Insbesondere, wenn die Last mit dem Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem verbunden oder davon entfernt wird, tritt die Instabilität der Leistungsversorgungsstufenspannung in einer transienten Zeitspanne auf.
  • 1 und 2 zeigen Wellenformen der Leistungsversorgungsstufenspannung, die in der transienten Zeitspanne unmittelbar, nachdem die Last mit dem DC-Verteilungssystem verbunden oder davon entfernt wird, an.
  • Wenn zuerst Bezug nehmend auf 1 die Last mit dem Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem verbunden wird, kann sich die Leistungsversorgungsstufenspannung VBUS sofort verringern. Die verringerte Leistungsversorgungsstufenspannung VBUS schwingt eine vorgegebene Zeit lang und kehrt dann nach der transienten Zeitspanne zu einem normalen Zustand zurück.
  • Wenn zweitens Bezug nehmend auf 2 die Last von dem Gleichstrom-(DC-) Verteilungssystem entfernt wird, kann die Leistungsversorgungsstufenspannung VBUS sofort zunehmen. Die erhöhte Leistungsversorgungsstufenspannung VBUS schwingt eine vorgegebene Zeit lang und kehrt dann nach der transienten Zeitspanne zu einem normalen Zustand zurück.
  • Die Schwingung in der transienten Zeitspanne erzeugt eine Frequenzkomponente in der Leistungsversorgungsstufenspannung. Die erzeuge Frequenzkomponente beeinflusst das Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem nachteilig. Folglich wurde eine Vorrichtungsspannungsstabilisierungsvorrichtung zur Stabilisierung der Leistungsversorgungsstufenspannung in der transienten Zeitspanne entwickelt.
  • Herkömmliche Spannungsstabilisatoren sind jedoch getrennt von Lasten, die mit dem Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem verbunden sind, konfiguriert. Daher haben die herkömmlichen Stabilisationsvorrichtungen ein Problem, dass ihr Betriebswirkungsgrad niedrig sein kann und ihre Herstellungskosten nicht gesenkt werden können.
  • Zusammenfassung
  • Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl an Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die nachstehend in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Zusammenfassung ist nicht dazu gedacht, alle Schlüsselmerkmale oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu bestimmen, noch ist sie dazu gedacht, allein als eine Hilfe zur Bestimmung des Schutzbereichs des beanspruchten Gegenstands verwendet zu werden.
  • Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, eine Vorrichtung zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems bereitzustellen, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um eine DC-Leistung, die von der Leistungsversorgungsstufe des DC-Leistungsverteilungssystems geliefert wird, zu stabilisieren.
  • Ferner zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, eine Vorrichtung zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem bereitzustellen, wobei die Vorrichtung in der Last enthalten ist und konfiguriert ist, um einen Motor anzutreiben oder die Instabilität der DC-Spannung, die in der transienten Zeitspanne erzeugt wird, abhängig von ihrer Betriebsart abzubauen.
  • Die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die vorstehend erwähnten Zwecke beschränkt. Andere Zwecke und Vorteile der vorliegenden Offenbarung, wie sie vorstehend nicht erwähnt sind, können aus den folgenden Beschreibungen erfasst werden und können aus den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung vollständiger erfasst werden. Ferner wird ohne Weiteres zu schätzen gewusst, dass die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Offenbarung durch Merkmale und deren Kombination, wie in den Patentansprüchen offenbart, realisiert werden können.
  • Zu diesem Zweck wird gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems bereitgestellt, wobei das System eine Leistungsversorgungsstufe umfasst, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Kondensatoreinheit, die einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator umfasst, wobei die ersten und zweiten Kondensatoren in Reihe miteinander gekoppelt sind, wobei die Kondensatoreinheit derart parallel zu der Leistungsversorgungsstufe gekoppelt ist, dass die ersten und zweiten Kondensatoren durch eine DC-Spannung, die von der Leistungsversorgungsstufe geliefert wird, geladen werden; eine Invertereinheit, die zwei Paare von Antriebsschaltelementen und ein Paar allgemeiner Schaltelemente umfasst, wobei die Invertereinheit konfiguriert ist, um die Spannung, die in die Kondensatoreinheit geladen wird, in eine AC-Leistung umzuwandeln und die AC-Leistung an einen mit der Vorrichtung verbundenen Motor bereitzustellen; eine Spannungsstabilisierungseinheit, die das Paar allgemeiner Schaltelemente umfasst, wobei die Spannungsstabilisierungseinheit konfiguriert ist, um basierend auf einem Lade- oder Entladesignal die allgemeinen Schaltelemente zu steuern, um die Kondensatoreinheit mit der DC-Spannung zu laden, die von der Leistungsversorgungsstufe geliefert wird, oder die in die Kondensatoreinheit geladene Spannung in die Leistungsversorgungsstufe zu entladen; eine Schalteinheit, die mehrere Schalter umfasst, wobei die mehreren Schalter der Schalteinheit konfiguriert sind, um wahlweise die Invertereinheit oder die Spannungsstabilisierungseinheit zu aktivieren; und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, um die von der Leistungsversorgungsstufe gelieferte DC-Spannung mit einem Referenzbereich zu vergleichen und das Lade- oder Entladesignal basierend auf dem Vergleichsergebnis an die Spannungsstabilisierungseinheit bereitzustellen.
  • In einer Ausführungsform ist die Leistungsversorgungsstufe mit einer DC-Leistungsversorgung zum Ausgeben der DC-Spannung oder einem Wandler zum Umwandeln einer AC-Leistungsversorgung in die DC-Spannung verbunden.
  • In einer Ausführungsform umfassen die mehreren Schalter der Schalteinheit: einen ersten Schalter zum Verbinden des einen Paars allgemeiner Schaltelemente und der zwei Paare von Antriebsschaltelementen; einen zweiten Schalter zum Verbinden eines ersten Knotens zwischen dem einen Paar allgemeiner Schaltelemente und dem Motor; einen dritten Schalter zum Verbinden eines zweiten Knotens zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator und dem ersten Knoten; und einen vierten Schalter zum wahlweisen Verbinden eines positiven Anschlusses des ersten Kondensators oder des zweiten Knotens mit der Leistungsversorgungsstufe.
  • In einer Ausführungsform ist die Schalteinheit konfiguriert, um den ersten Schalter und den zweiten Schalter einzuschalten und den dritten Schalter auszuschalten, und um den vierten Schalter derart zu steuern, dass der positive Anschluss des ersten Kondensators wahlweise mit der Leistungsversorgungsstufe verbunden wird, um dadurch wahlweise die Invertereinheit zu aktvieren.
  • In einer Ausführungsform ist die Schalteinheit konfiguriert, um den ersten Schalter und den zweiten Schalter auszuschalten und den dritten Schalter einzuschalten, und um den vierten Schalter derart zu steuern, dass der zweite Knoten wahlweise mit der Leistungsversorgungsstufe verbunden wird, um dadurch wahlweise die Spannungsstabilisierungseinheit zu aktivieren.
  • In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit konfiguriert, um ein Schaltsignal an die Schalteinheit zu liefern, um das Einschalten oder Ausschalten der mehreren Schalter zu steuern.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Spannungsstabilisierungseinheit einen Lade- und Entladeinduktor, wobei ein Ende des Lade- und Entladeinduktors mit einem ersten Knoten zwischen dem einen Paar allgemeiner Schaltelemente verbunden ist und das andere Ende mit einem zweiten Knoten zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator verbunden ist.
  • In einer Ausführungsform ist die Spannungsstabilisierungseinheit konfiguriert, um den ersten Kondensator mit einem Strom zu laden, der in dem Lade- und Entladeinduktor gespeichert ist, oder um die in dem ersten Kondensator geladene Spannung durch den Lade- und Entladeinduktor an die Leistungsversorgungsstufe zu entladen.
  • In einer Ausführungsform führt das eine Paar allgemeiner Schaltelemente das Einschalten oder Ausschalten basierend auf dem Lade- oder Entladesignal durch.
  • In einer Ausführungsform ist das Paar allgemeiner Schaltelemente konfiguriert, um basierend auf dem Lade- oder Entladesignal Nullspannungsschalten (ZVS) durchzuführen.
  • In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit konfiguriert, um einen Messwert der DC-Spannung von einem Spannungssensor zu empfangen und den empfangenen Messwert mit dem Referenzbereich zu vergleichen.
  • Wenn die DC-Spannung in einer Ausführungsform den Referenzbereich überschreitet, ist die Steuereinheit konfiguriert, um ein Ladesignal an die Spannungsstabilisierungseinheit bereitzustellen, wobei, wenn die DC-Spannung kleiner als der Referenzbereich ist, die Steuereinheit konfiguriert ist, um ein Entladesignal an die Spannungsstabilisierungseinheit bereitzustellen.
  • In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner eine Hilfsspannungsstabilisierungseinheit auf, wobei die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit ein Paar von Hilfsschaltelementen, einen Filterinduktor, einen Lade- und Entladekondensator und einen Filterkondensator aufweist, wobei die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit parallel mit der Leistungsversorgungsstufe verbunden ist, wobei die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit konfiguriert ist, um basierend auf einem Hilfslade- oder Entladesignal den Lade- und Entladekondensator mit der DC-Spannung, die von der Leistungsversorgungsstufe geliefert wird, zu laden oder die geladene Spannung von dem Lade und Entladekondensator an die Leistungsversorgungsstufe zu entladen.
  • In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit konfiguriert, um die von der Leistungsversorgungsstufe gelieferte DC-Spannung mit dem Referenzbereich zu vergleichen und basierend auf dem Vergleichsergebnis das Hilfslade- oder Entladesignal an die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit bereitzustellen.
  • In einer Ausführungsform ist die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit konfiguriert, um den Lade- und Entladekondensator mit einem in dem Filterinduktor gespeicherten Strom zu laden oder die in dem Lade- und Entladekondensator gespeicherte Spannung durch den Filterinduktor an die Leistungsversorgungsstufe zu entladen.
  • In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit konfiguriert, um ein Antriebssignal an die Invertereinheit bereitzustellen, wobei das Antriebssignal konfiguriert ist, um die zwei Paare von Antriebsschaltelementen und das Paar allgemeiner Schaltelemente ein- oder auszuschalten.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann durch Stabilisieren der DC-Leitung, die von der Leistungsversorgungsstufe des Verteilungssystems geliefert wird, die Systemwirkungsgradverschlechterung aufgrund von Spannungsinstabilität, die ansonsten bewirkt wird, wenn die Last mit dem Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem verbunden oder davon entfernt wird, unterdrückt werden. Wenn ferner die Spitzenspannung abnimmt, kann eine Komponente mit einer niedrigeren Nennspannung verwendet werden, was die Kompatibilität der Vorrichtung verbessern kann.
  • Ferner ist die Stabilisierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung in der Last enthalten, um den Motor anzutreiben oder die Instabilität der DC-Spannung, die in einer transienten Zeitspanne erzeugt wird, basierend auf der Betriebsart abzubauen. Somit kann die Vorrichtung leicht implementiert werden, und zwei Funktionen können durch die einzelne Vorrichtung durchgeführt werden. Somit kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert werden.
  • Figurenliste
    • 1 und 2 zeigen Wellenformen der Leistungsversorgungsstufenspannung, die in der transienten Zeitspanne unmittelbar nachdem die Last mit dem DC-Verteilungssystem verbunden oder davon entfernt wird, auftritt.
    • 3 zeigt, dass eine Vorrichtung zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit dem DC-Verteilungssystem und einem Motor verbunden ist.
    • 4 zeigt ein Steuerflussdiagramm der in 3 gezeigten Vorrichtung zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems.
    • 5 ist ein Schaltbild der in 3 gezeigten Vorrichtung zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems.
    • 6 zeigt einen Zustand, in dem eine Inverterschaltung der in 5 gezeigten Vorrichtung, die das Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem stabilisiert, basierend auf einem Betriebszustand eines Schalters aktiviert ist.
    • 7 zeigt einen Zustand, in dem eine Spannungsstabilisierungsschaltung der in 5 gezeigten Vorrichtung, die das Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem stabilisiert, basierend auf einem Betriebszustand eines Schalters aktiviert ist.
    • 8 bis 11 zeigen ein Schaltbild, das eine abfolgebasierten Betrieb der Spannungsstabilisierungsschaltung, wie in 7 gezeigt, darstellt.
    • 12 ist ein Diagramm, das einen Strom eines Lade- und Entladeinduktors und eine Spannung eines ersten Kondensators basierend auf einem Betriebsverfahren in 8 bis 11 zeigt.
    • 13 ist ein Schaltbild einer Vorrichtung zum Stabilisieren des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems mit einer parallel dazu geschalteten Hilfsspannungsstabilisierungsschaltung.
    • 14 und 15 zeigen verbesserte Wellenformen der Leistungsversorgungsstufenspannung in der transienten Zeitspanne gemäß der Anmeldung der vorliegenden Offenbarung.
  • Detaillierte Beschreibungen
  • Die gleichen Bezugszahlen in verschiedenen Figuren bezeichnen die gleichen oder ähnliche Elemente und führen als Solche die gleiche Funktionalität aus. Ebenso werden Beschreibungen und Details wohlbekannter Schritte und Elemente der Einfachheit der Beschreibung halber weggelassen. Außerdem werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Offenbarung zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Es sollte sich jedoch verstehen, dass die vorliegende Offenbarung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen wurden wohlbekannte Methoden, Verfahren, Komponenten und Schaltungen nicht im Detail beschrieben, um Aspekte der vorliegenden Offenbarung nicht unnötig zu vernebeln.
  • Beispiele für verschiedene Ausführungsformen werden nachstehend dargestellt und weiter beschrieben. Es versteht sich, dass die Beschreibung hier nicht dafür gedacht ist, die Patentansprüche auf die spezifischen Ausführungsformen, die beschrieben werden, zu beschränken. Im Gegenteil ist beabsichtigt, Alternativen, Modifikationen und Äquivalente, wie sie in dem Geist und Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung, wie durch die beigefügten Patentansprüche definiert, enthalten sein können, abzudecken.
  • Es versteht sich, dass, wenngleich die Begriffe „erster“, „zweiter“ und „dritter“ und so weiter hier verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe beschränkt werden sollten. Diese Begriffe werden verwendet, um ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Element, einer Komponente, einem Bereich, einer Schicht oder einem Abschnitt zu unterscheiden. Somit könnten ein erstes Element, eine Komponente, ein Bereich, eine Schicht oder ein Abschnitt als ein zweites Element, eine Komponente, ein Bereich, eine Schicht oder ein Abschnitt bezeichnet werden, ohne von dem Geist und Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Es versteht sich, dass wenn auf ein Element oder eine Schicht als „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer Schicht Bezug genommen wird, es/sie direkt auf dem anderen Element oder der Schicht mit dem anderen Element oder der Schicht verbunden oder gekoppelt sein kann, oder ein oder mehrere Zwischenelemente oder Schichten vorhanden sein können. Außerdem versteht sich auch, dass, wenn auf ein Element oder eine Schicht als „zwischen“ zwei Elementen oder Schichten Bezug genommen wird, es/sie das einzige Element oder die einzige Schicht zwischen den zwei Elementen oder Schichten sein kann oder auch ein oder mehrere Zwischenelemente oder Schichten vorhanden sein können.
  • Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die vorliegende Offenbarung nicht einschränken. Wie sie hier verwendet werden, sollen die Singularformen „ein“ und „eine“, wenn der Kontext es nicht deutlich anders angibt, auch die Pluralformen umfassen. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe „aufweist“, „aufweisend“, „umfasst und „umfassend“, wenn sie in dieser Spezifikation verwendet werden, das Vorhandensein der dargelegten Merkmale, ganzen Zahlen, Arbeitsschritte, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer Merkmale, ganzen Zahlen, Arbeitsschritte, Elemente, Komponenten und/oder Teile davon ausschließen. Wie er hier verwendet wird, umfasst der Begriff „und/oder“ jede und alle Kombinationen eines oder mehrerer der zugehörigen aufgelisteten Elemente. Ein Ausdruck, wie etwa „wenigstens einer von“, wenn er einer Liste von Elementen vorangeht, kann die gesamte Liste von Elementen modifizieren und darf nicht die einzelnen Elemente der Liste modifizieren.
  • Wenn nicht anders definiert, umfassen alle Begriffe, einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe, die hier verwendet werden, die gleiche Bedeutung, wie sie von jemandem mit gewöhnlichen Kenntnissen der Technik, zu der dieses erfinderische Konzept gehört, allgemein verstanden wird. Es versteht sich ferner, dass Begriffe, wie etwa die, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, als eine Bedeutung habend, die konsistent mit ihrer Bedeutung in dem Kontext der relevanten Technik ist, ausgelegt werden sollten und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn ausgelegt werden, es sei denn, sie werden hier ausdrücklich so beschrieben.
  • Eine Vorrichtung zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems gemäß der vorliegenden Offenbarung kann in einer Last enthalten sein, die mit einem Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem verbunden ist. Insbesondere kann die Vorrichtung zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems in der Last enthalten sein, die einen Dreileiterinverter zum Antreiben des Motors verwendet.
  • Hier nachstehend werden die Vorrichtung zur Stabilisierung des Gleichstrom-(DC-) Verteilungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und jede Komponente, welche die Vorrichtung bildet, unter Bezug auf 3 bis 7 im Detail beschrieben.
  • 3 zeigt, dass eine Vorrichtung zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit dem DC-Verteilungssystem und einem Motor verbunden ist. 4 zeigt ein Steuerflussdiagramm der in 3 gezeigten Vorrichtung zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems.
  • 5 ist ein Schaltbild der in 3 gezeigten Vorrichtung zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems.
  • 6 zeigt einen Zustand, in dem eine Inverterschaltung der in 5 gezeigten Vorrichtung, die das Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem stabilisiert, basierend auf einem Betriebszustand eines Schalters aktiviert ist. 7 zeigt einen Zustand, in dem eine Spannungsstabilisierungsschaltung der in 5 gezeigten Vorrichtung, die das Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem stabilisiert, basierend auf einem Betriebszustand eines Schalters aktiviert ist.
  • Bezug nehmend auf 3 und 4 kann die Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Kondensatoreinheit 110, eine Invertereinheit 120, eine Spannungsstabilisierungseinheit 130, eine (nicht gezeigte) Schalteinheit 150, eine Steuereinheit 140 und eine Hilfsspannungsstabilisierungseinheit 160 umfassen.
  • Die Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems, die in 3 und 4 gezeigt ist, ist lediglich eine Ausführungsform. Die Komponenten der Vorrichtung sind nicht auf die der in 3 und 4 gezeigten Ausführungsform beschränkt. Nach Bedarf können einige der Komponenten hinzugefügt, geändert oder entfernt werden.
  • Bezug nehmend auf 3 und 5 kann die Kondensatoreinheit 110 einen ersten Kondensator CT 111 und einen zweiten Kondensator CB 112 umfassen, wie sie durch eine DC-Spannung VBUS , die von der Leistungsversorgungsstufe des Gleichstrom-(DC-) Verteilungssystems geliefert wird, geladen werden.
  • In diesem Zusammenhang kann die Leistungsversorgungsstufe in dem DC-Verteilungssystem 10 enthalten sein, das die DC-Spannung VBUS an die Vorrichtung 100 liefert. Das DC-Verteilungssystem 10 kann mit einer DC-Leistungsquelle oder einer AC-Leistungsquelle verbunden sein, um die DC-Spannung VBUS an die Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems zu liefern.
  • Zum Beispiel kann das DC-Leistungsteilungssystem 10 mit einer DC-Leistungsquelle verbunden sein, die eine DC-Spannung VBUS an es ausgibt. Alternativ kann das DC-Leistungsverteilungssystem 10 mit einem Ausgang eines Wandlers gekoppelt sein, der eine Wechselstromleistung in die DC-Spannung VBUS umwandelt.
  • Mit anderen Worten kann die Leistungsversorgungsstufe mit einer DC-Leistungsquelle verbunden sein, die die DC-Spannung VBUS ausgibt. Alternativ kann die Leistungsversorgungsstufe mit dem Ausgang des Wandlers gekoppelt werden, der die AC-Leistung in eine DC-Spannung VBUS umwandelt.
  • Die Kondensatoreinheit 110 kann als eine Gleichspannungszwischenkreis-Kondensatoreinheit wirken, die konfiguriert ist, um eine DC-Spannung VBUS , die von der Leistungsversorgungsstufe geliefert wird, zu speichern und die DC-Spannung an die Invertereinheit 120 zu liefern, die später beschrieben wird.
  • Der erste Kondensator CT und der zweite Kondensator CB , welche die Kondensatoreinheit 110 bilden, können basierend auf ihrer Kapazität eine Spannung mit einem vorgegebenen Betrag speichern.
  • Wenn die Leistungsversorgungsstufe mit dem Ausgangsanschluss des Wandlers zum Umwandeln der AC-Leistung in die DC-Spannung VBUS verbunden ist, kann die Kondensatoreinheit 110 die DC-Spannung VBUS , die von dem Wandler ausgegeben wird, glätten und die geglättete Spannung an die Invertereinheit 120, die später beschrieben werden soll, bereitstellen.
  • Die Invertereinheit 120 kann als ein Dreidrahtinverter implementiert sein. In diesem Fall kann die Invertereinheit drei Paare von Schaltelementen S1 bis S3 und S1' bis S3' enthalten. Die drei Paare von Schaltelementen S1 bis S3 und S1' bis S3' können aus zwei Paaren von Antriebsschaltelementen S2 und S2', S3 und S3' und einem paar allgemeiner Schaltelemente S1 und S1' zusammengesetzt sein.
  • Indessen kann das in der Invertereinheit 120 enthaltene Schaltelement einen MOSFET (Metalloxidhalbleiter-FET) oder einen IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) als das Leistungsschaltelement umfassen.
  • Die Invertereinheit 120 wandelt die in die Kondensatoreinheit 110 geladene Spannung unter Verwendung der zwei Paare von Antriebsschaltelementen S2 und S2', S3 und S3' und des Paars allgemeiner Schaltelemente S1 und S1' in AC-Leistung um. Dann kann die umgewandelte Spannung an den Motor 20 geliefert werden.
  • In diesem Zusammenhang können die Antriebselemente keine spezifischen Schaltelemente sein, sondern können beliebige zwei Paare der drei Paare von Schaltelementen S1 bis S3 und S1' bis S3' sein. Folglich können die allgemeinen Schaltelemente ein anderes Paar der Schaltelemente als die Antriebsschaltelemente von den drei Paaren der Schaltelemente S1 bis S3 und S1' bis S3' sein.
  • Die Spannungsstabilisierungseinheit 130 kann das Paar allgemeiner Schaltelemente S1 und S1' umfassen. Wie in 5 gezeigt, können die Invertereinheit 120, wie vorstehend beschrieben, und die Spannungsstabilisierungseinheit 130 insbesondere das Paar allgemeiner Schaltelemente S1 und S1' gemeinsam nutzen. Mit anderen Worten können die in der Invertereinheit 120 enthaltenen allgemeinen Schaltelemente S1 und S1' in der Spannungsstabilisierungseinheit 130 enthalten sein.
  • Die Spannungsstabilisierungseinheit 130 steuert das Paar allgemeiner Schaltelemente S1 und S1' basierend auf einem Lade- oder Entladesignal SC , um die Kondensatoreinheit 110 mit der DC-Spannung VBUS , die von der Leistungsversorgungsstufe geliefert wird, zu laden oder die in die Leistungsversorgungsstufe geladene Spannung zu entladen.
  • Die Spannungsstabilisierungseinheit 130 kann einen Lade- und Entladeinduktor LC umfassen.
  • Ein Ende des Induktors LC kann mit einem Knoten zwischen einem Paar allgemeiner Schaltelemente S1 und S1' verbunden sein, während das andere Ende des Induktors mit einem Knoten zwischen dem ersten Kondensator CT und dem zweiten Kondensator CB verbunden sein kann.
  • Die Spannungsstabilisierungseinheit 130 kann das Laden der DC-Spannung VBUS , die von der Leistungsversorgungsstufe geliefert wird, durch den Lade- und Entladeinduktor LC in die Kondensatoreinheit 110 ermöglichen. Im Gegensatz dazu kann die Spannungsstabilisierungseinheit 130 das Entladen der in der Kondensatoreinheit 110 geladenen Spannung durch den Lade- und Entladeinduktor LC in die Leistungsversorgungsstufe ermöglichen. Der spezifische Lade- und Entladebetrieb der Spannungsstabilisierungseinheit 130 wird später beschrieben.
  • Ein zweiter Betrieb, in dem die Invertereinheit 120 AC-Leistung an den Motor 20 bereitstellt, um den Motor 20 anzutreiben, und ein zweiter Betrieb, in dem die Spannungsstabilisierungseinheit 130 die Kondensatoreinheit 110 lädt und entlädt, um die Spannung der Leistungsversorgungsstufe zu stabilisieren, kann durch die Schalteinheit 150, wie später beschrieben, wahlweise durchgeführt werden.
  • Erneut Bezug auf 5 nehmend, umfasst die Schalteinheit 150 mehrere Schalter 151 bis 154. Die Schalteinheit 150 kann wahlweise die Invertereinheit 120 und die Spannungsstabilisierungseinheit 130 aktivieren, indem sie den Betrieb ihrer Schalter steuert. In diesem Zusammenhang können die Schalter 151 bis 154, die in der Schalteinheit 150 enthalten sind, als Relais ausgeführt werden.
  • Insbesondere umfasst die Schalteinheit 150 einen ersten Schalter 151, der das Paar allgemeiner Schaltelemente S1 und S1' und die zwei Paare von Antriebsschaltelementen S2 und S2', S3 und S3' miteinander verbindet, und einen zweiten Schalter 152, der einen ersten Knoten N1 zwischen dem Paar allgemeiner Schaltelemente S1 und S1' und den Motor 20 verbindet.
  • Ferner umfasst die Schalteinheit 150 einen dritten Schalter 153 zum Verbinden des zweiten Knotens N2 zwischen dem ersten Kondensator CT und dem zweiten Kondensator CB mit dem ersten Knoten N1 und einen vierten Schalter 154 zum wahlweisen Verbinden eines positiven Anschlusses des ersten Kondensators CT oder des zweiten Knotens N2 mit der Leistungsversorgungsstufe.
  • Bezug nehmend auf 4 kann die Steuereinheit 140 ein Schaltsignal an die Schalteinheit 150 bereitstellen, um einen Einschalt- oder Ausschaltbetrieb der mehreren Schalter 151 bis 154 zu steuern.
  • Das Schaltsignal kann basierend auf der Betriebsart voreingestellt werden. In diesem Zusammenhang kann die Betriebsart eine Antriebsbetriebsart und eine Spannungsstabilisierungsbetriebsart umfassen.
  • Folglich kann das Schaltsignal ein erstes Schaltsignal, das der Antriebsbetriebsart entspricht, und ein zweites Schaltsignal, das der Spannungsstabilisierungsbetriebsart entspricht, umfassen.
  • Die Antriebsbetriebsart kann eine Betriebsart sein, um wahlweise die Invertereinheit 120 zu aktivieren, während die Spannungsstabilisierungsbetriebsart eine Betriebsart zum wahlweisen Aktivieren der Spannungsstabilisierungseinheit 130, wie vorstehend beschrieben, sein kann.
  • Insbesondere kann die Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom-(DC-) Verteilungssystems in einer Verbrauchervorrichtung, wie etwa einer Klimaanlage, aufgenommen sein. Die Klimaanlage kann eine Schnittstelle darauf bereitstellen, um ein Eingabesignal von dem Benutzer zu empfangen. Der Benutzer kann die Betriebsart über die Schnittstelle eingeben.
  • Wenn die Betriebsart, die von dem Benutzer eingegeben wird, die Antriebsbetriebsart ist, kann die Steuereinheit 140 die Schalteinheit 150 mit einem ersten Schaltsignal versorgen, das der Antriebsbetriebsart entspricht. Wenn die von dem Benutzer eingegebene Betriebsart andererseits die Spannungsstabilisierungsbetriebsart ist, kann die Steuereinheit 140 die Schalteinheit 150 mit einem zweiten Schaltsignal versorgen, das der Spannungsstabilisierungsbetriebsart entspricht.
  • Zuerst wird der Betrieb der Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems, wenn die Betriebsart die Antriebsbetriebsart ist, im Detail beschrieben.
  • Wenn die Schalteinheit 150 mit dem ersten Schaltsignal versorgt wird, kann die Schalteinheit 150 den ersten Schalter 151 und den zweiten Schalter 152 einschalten und den dritten Schalter 153 ausschalten. Ferner steuert die Schalteinheit 150 den vierten Schalter 154, so dass der positive Anschluss (+) des ersten Kondensators CT wahlweise mit der Leistungsversorgungsstufe verbunden wird, wodurch ermöglicht wird, dass die Invertereinheit 120 wahlweise aktiviert wird.
  • Daher kann die Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems, wie in 5 gezeigt, als eine Inverterschaltung, wie in 6 gezeigt, konfiguriert sein.
  • Bezug nehmend auf 6 aktiviert die Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems basierend auf der Steuerung der Schalteinheit 150 wahlweise nur die Invertereinheit 120, um den Motor 20 anzutreiben.
  • Die Invertereinheit 120 kann die in der Kondensatoreinheit 110 geladene Spannung unter Verwendung der drei Paare von Schaltelementen S1 bis S3 und S1' bis S3' in drei Paare von Antriebsströmen mit beliebigen Phasendifferenzen umwandeln.
  • Zum Beispiel kann die Invertereinheit 120 unter Verwendung jedes Paars von Schaltelementen Dreiphasen-Wechselströme mit gegenseitigen Phasendifferenzen von 120 Grad ausgeben. Alternativ kann die Invertereinheit 120 unter Verwendung jedes Paars von Schaltelementen Dreiphasen-Impulsströme mit gegenseitigen Phasendifferenzen von 120 Grad ausgeben.
  • Bezug nehmend auf 4 kann die Steuereinheit 140 ein Antriebssignal Sd an die Invertereinheit 120 bereitstellen, um die Invertereinheit, wie vorstehend beschrieben, zu aktivieren. Das Antriebssignal Sd steuert den Einschalt- oder Ausschaltbetrieb der zwei Paare von Antriebsschaltelementen S2 und S2' und S3 und S3' und des Paars allgemeiner Schaltelemente S1 und S1'.
  • In diesem Zusammenhang kann das Antriebssignal Sd ein Impulsbreitenmodulations- (PWM-) Signal sein oder kann alternativ ein Signal mit einer spezifischen Frequenz mit einer konstanten Impulsbreite sein.
  • Die Steuereinheit 140 kann als ein Mikrocomputer (MICOM) ausgeführt sein, der ein Impulssignal erzeugt, das in dem Antriebssignal Sd enthalten ist. Folglich kann die Invertereinheit 120 einen Gate-Treiber umfassen. Der Gate-Treiber empfängt das erzeugte Impulssignal und stellt ansprechend auf den Empfang des Impulssignals die Antriebsspannung an die drei Schaltelemente S1 bis S3 und S1' bis S3' bereit.
  • Der mit der Invertereinheit 120 verbundene Motor 20 kann als ein Induktionsmotor, ein bürstenloser DC-Motor (BLDC) und ein Reluktanzmotor ausgeführt sein. Der Motor 20 kann ein Motor sein, der im Inneren eines Haushaltsgeräts, wie etwa einer Klimaanlage, bereitgestellt ist.
  • Als nächstes wird der Betrieb der Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems, wenn die Betriebsart die Spannungsstabilisierungsbetriebsart ist, im Detail beschrieben.
  • Wenn die Schalteinheit 150 mit dem zweiten Schaltsignal versorgt wird, kann die Schalteinheit 150 den ersten Schalter 151 und den zweiten Schalter 152 ausschalten und kann den dritten Schalter 153 einschalten. Ferner kann die Schalteinheit 150 wahlweise die Spannungsstabilisierungseinheit 130 aktivieren, indem sie den vierten Schalter 154 steuert, so dass der zweite Knoten N2 wahlweise die Leistungsversorgungsstufe verbindet.
  • Folglich kann die in 5 gezeigte Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems als die Spannungsstabilisierungsschaltung, wie in 7 gezeigt, konfiguriert sein.
  • Bezug nehmend auf 7 kann die Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems basierend auf der Steuerung der Schalteinheit 150, wie vorstehend beschrieben, wahlweise nur die Spannungsstabilisierungseinheit 130 aktivieren, um dadurch die Spannung der Leistungsversorgungsstufe zu stabilisieren.
  • Das Paar allgemeiner Schaltelemente S1 und S1', das in der Spannungsstabilisierungseinheit 130 enthalten ist, kann das Einschalten oder Ausschalten basierend auf dem Lade- oder Entladesignal SC , das von der Steuereinheit 140 bereitgestellt wird, durchführen, um dadurch die Funktion zur Stabilisierung der Spannung der Leistungsversorgungsstufe durchzuführen.
  • Basierend auf dem Schaltbetrieb des Paars allgemeiner Schaltelemente S1 und S1' kann die von der Leistungsversorgungsstufe gelieferte DC-Spannung VBUS in der Kondensatoreinheit 110, insbesondere in dem ersten Kondensator CT , gespeichert werden. Im Gegensatz dazu kann die in der Kondensatoreinheit 110, insbesondere in dem ersten Kondensator CT , gespeicherte Spannung basierend auf dem Schaltbetrieb des Paars allgemeiner Schaltelemente S1 und S1' an die von der Leistungsversorgungsstufe entladen werden.
  • Der zweite Kondensator CB wirkt als ein Filterkondensator, der die Welligkeit, die durch die Schalttätigkeit der allgemeinen Schaltelemente S1 und S1' bewirkt wird, abmildern kann. Wenn ferner jedes allgemeine Schaltelement S1 und S1' das Einschalten oder Ausschalten mit einer kurzen Totzeit durchführt, kann der Lade- und Entladeinduktor LC den Stromfluss zwischen der Leistungsversorgungsstufe und dem ersten Kondensator CT begrenzen.
  • Um die Spannungsstabilisierungseinheit 130, wie vorstehend beschrieben, zu aktivieren, vergleicht die Steuereinheit 140 Bezug nehmend auf 4 die DC-Spannung VBUS , die von der Leistungsversorgungsstufe geliefert wird, mit einem Referenzbereich und liefert dann basierend auf dem Vergleichsergebnis das Lade- oder Entladesignal SC an die Spannungsstabilisierungseinheit 130.
  • In diesem Zusammenhang kann das Lade- oder Entladesignal SC ein Impulssignal zum Ein- oder Ausschalten jedes allgemeinen Schaltelements S1 und S1' sein. Das Lade- oder Entladesignal kann ein Ladesignal und/oder ein Entladesignal umfassen.
  • Die Steuereinheit 140 kann als ein Mikrocomputer zum Erzeugen eines Impulssignals, welches das Lade- oder Entladesignal SC bildet, implementiert sein. Folglich kann die Spannungsstabilisierungseinheit 130 einen Gate-Treiber umfassen. Der Gate-Treiber empfängt das erzeugte Impulssignal und stellt ansprechend auf das Impulssignal die Antriebsspannung an die allgemeinen Schaltelemente S1 und S1' bereit.
  • Die Steuereinheit 140 empfängt einen Messwert der DC-Spannung VBUS von dem Spannungssensor 210. Die Steuereinheit kann dann den Messwert der Gleichspannung VBUS mit einem Referenzwert vergleichen.
  • Der Spannungssensor 210 ist in der Leistungsversorgungsstufe bereitgestellt. Der Sensor kann die DC-Spannung VBUS , die von dem DC-Verteilungssystem 10 ausgegeben wird, messen und den Messwert an die Steuereinheit 140 bereitstellen. Zu diesem Zweck kann der Spannungssensor 210 als ein digitaler Sensor ausgeführt sein, der zur Datenkommunikation fähig ist.
  • Indessen ist in 4 die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung als den Spannungssensor 210 nicht enthaltend gezeigt. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann jedoch den Spannungssensor 210, wie vorstehend beschrieben, umfassen.
  • Die Steuereinheit 140 vergleicht die DC-Spannung VBUS der Leistungsversorgungsstufe mit dem Referenzwert oder dem Bereich und erzeugt basierend auf dem Vergleichsergebnis entweder ein Ladesignal oder ein Entladesignal.
  • In diesem Zusammenhang kann der Referenzbereich ein Bereich einer Spannung sein, die in der transienten Zeitspanne annehmbar ist, oder kann gemäß den Benutzereinstellungen bestimmt werden.
  • Wenn zum Beispiel die DC-Spannung VBUS , die von dem DC-Verteilungssystem 10 ausgegeben wird, auf 10 [V] festgelegt wird, kann der Referenzbereich innerhalb eines Bereichs von +/-10% der vorgegebenen Spannung festgelegt werden. Das heißt, der Referenzbereich kann auf 9 [V] bis 11 [V] festgelegt werden.
  • Wenn die gemessene DC-Spannung VBUS den Referenzbereich übersteigt (z.B. die Spannung 11 [V] übersteigt), kann die Steuereinheit 140 ein Ladesignal erzeugen und das erzeugte Ladesignal an die Spannungsstabilisierungseinheit 130 bereitstellen. Wenn die gemessene DC-Spannung VBUS anderseits kleiner als der Referenzbereich ist (z.B. die Spannung kleiner als 9 [V] ist), erzeugt die Steuereinheit 140 ein Entladesignal und liefert das erzeugte Entladesignal an die Spannungsstabilisierungseinheit 130.
  • Die Spannungsstabilisierungseinheit 130 kann den ersten Kondensator CT basierend auf dem Ladesignal, das von der Steuerschaltung 140 ausgegeben wird, mit der DC-Spannung VBUS , wie sie von der Leistungsversorgungsstufe bereitgestellt wird, laden. Alternativ kann die Spannungsstabilisierungsschaltung 130 basierend auf dem Entladesignal, das von der Steuereinheit 140 bereitgestellt wird, die in den ersten Kondensator CT geladene Spannung an die Leistungsversorgungsstufe entladen.
  • Insbesondere lädt die Spannungsstabilisierungseinheit 130 den ersten Kondensator CT unter Verwendung des in dem Lade- und Entladeinduktor LC gespeicherten Stroms oder entlädt die in dem ersten Kondensator CT geladene Spannung über den Lade- und Entladeinduktor LC in die Leistungsversorgungsstufe. Das Laden oder Entladen kann auf dem Lade- oder Entladesignal SC basieren.
  • 8 bis 11 zeigen ein Schaltbild, das einen abfolgebasierten Betrieb der Spannungsstabilisierungsschaltung, wie in 7 gezeigt, darstellt. 12 ist ein Diagramm, das einen Strom eines Lade- und Entladeinduktors und eine Spannung eines ersten Kondensators basierend auf einem Betriebsverfahren in 8 bis 11 zeigt.
  • Hier nachstehend wird das Lade- oder Entladeverfahren des ersten Kondensators CT gemäß dem Schaltbetrieb der allgemeinen Schaltelemente S1 und S1' unter Bezug auf 8 bis 12 im Detail beschrieben.
  • Die Schaltung, wie in 7 gezeigt, kann basierend auf dem Schaltbetrieb des Paars allgemeiner Schaltelemente S1 und S1' als Schaltungen (Modus 1 bis Modus 4), die in 8 bis 11 nacheinander gezeigt sind, konfiguriert sein. In dieser Hinsicht können ein Impulssignal, das an jedes der allgemeinen Schaltelemente S1 und S1' angelegt wird, ein Strom IL , der in dem Lade- und Entladeinduktor LC fließt, und die Spannung VST , die in dem ersten Kondensator CT gespeichert wird, in 12 über die Zeit graphisch gezeigt werden.
  • Insbesondere schaltet die Spannungsstabilisierungseinheit 130 Bezug nehmend auf 8 ansprechend auf das Ladesignal das zweite allgemeine Schaltelement S1' ein und schaltet das erste allgemeine Schaltelement S1 eine vorgegebene Zeit lang aus. Somit kann der von der Leistungsversorgungsstufe ausgegebene Strom IL in dem ersten Lade- und Entladeinduktor LC gespeichert werden.
  • Nachdem Bezug nehmend auf 9 eine vorgegebene Zeit vergangen ist, kann die Stabilisierungseinheit 130 die allgemeinen Schaltelemente S1 und S1' eine Totzeit td lang ausschalten. Somit kann der in dem Lade- und Entladeinduktor LC gespeicherte Strom durch eine Diode des ersten allgemeinen Schaltelements S1 in dem Leitungszustand an den ersten Kondensator CT bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann der erste Kondensator CT mit dem Strom geladen werden.
  • Indem die Totzeit td lang der Stromweg durch die Diode ausgebildet wird, kann das erste allgemeine Schaltelement S1, das anschließend eingeschaltet wird, Nullspannungsschalten (ZVS) durchführen.
  • Insbesondere kann der durch die Diode fließende Strom allmählich abnehmen. Bevor somit die Richtung des Stroms auf die positive Richtung des ersten allgemeinen Schaltelements S1 (die Rückwärtsrichtung der Diode) geschaltet wird, kann die an das erste allgemeine Schaltelement S1 angelegte Spannung null sein.
  • Wenn die Spannung an dem ersten allgemeinen Schaltelement S1 null ist, wird das erste allgemeine Schaltelement S1 eingeschaltet. Somit kann das erste allgemeine Schaltelement S1 den Nullspannungsschaltbetrieb durchführen, wodurch der Schaltverlust verringert wird.
  • Bezug nehmend auf 10 kann die Spannungsstabilisierungseinheit 130 ansprechend auf das Entladesignal das erste allgemeine Schaltelement S1 einschalten und das zweite allgemeine Schaltelement S1' eine vorgegebene Zeit lang ausschalten. Somit kann die in den ersten Kondensator CT geladene Spannung durch den Lade- und Entladeinduktor LC an die Leistungsversorgungsstufe bereitgestellt werden.
  • Als nächstes kann die Spannungsstabilisierungseinheit 130 Bezug nehmend auf 11, nachdem eine vorgegebene Zeit vergangen ist, beide allgemeinen Schaltelemente S1 und S1' die Totzeit td lang ausschalten. Somit ist die Diode des zweiten allgemeinen Schaltelements S1' elektrisch leitend. Somit kann der Strom, der durch den Lade- und Entladeinduktor LC zu der Leistungsversorgungsstufe fließt, verringert werden. Mit anderen Worten kann der Betrag des Stroms IL , der in die Richtung, wie in der Figur gezeigt, fließt, vergrößert werden.
  • Indem die Totzeit td lang der Stromweg durch die Diode ausgebildet wird, kann das zweite allgemeine Schaltelement S1', das anschließend eingeschaltet wird, einen Nullspannungsschaltbetrieb durchführen.
  • Insbesondere kann der durch die Diode fließende Strom allmählich abnehmen. Bevor die Stromrichtung auf die positive Richtung des zweiten allgemeinen Schaltelements S1' (die Rückwärtsrichtung der Diode) umgeschaltet wird, kann somit die an dem zweiten allgemeinen Schaltelement S1' angelegte Spannung null sein.
  • Wenn die Spannung an dem zweiten allgemeinen Schaltelement S1' null ist, wird das zweite allgemeine Schaltelement S1' eingeschaltet. Somit kann das zweite allgemeine Schaltelement S1' den Nullspannungsschaltbetrieb durchführen, wodurch der Schaltverlust verringert wird.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Offenbarung durch Stabilisieren der DC-Leistung, die von der Leistungsversorgungsstuf des Verteilungssystems geliefert wird, die Verschlechterung des Systemwirkungsgrads aufgrund von Spannungsinstabilität, wie sie ansonsten bewirkt wird, wenn die Last mit dem Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystem verbunden oder davon entfernt wird, unterdrückt werden. Wenn ferner die Spitzenspannung abnimmt, kann eine Komponente mit einer niedrigeren Nennspannung verwendet werden, was die Kompatibilität der Vorrichtung verbessern kann.
  • Ferner ist die Stabilisierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung in der Last enthalten, um den Motor anzutreiben oder die Instabilität der DC-Spannung, die basierend auf der Betriebsart in einer transienten Zeitspanne erzeugt wird, abzubauen. Somit kann die Vorrichtung leicht implementiert werden, und zwei Funktionen können durch die einzelne Vorrichtung durchgeführt werden. Somit kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert werden.
  • 13 ist ein Schaltbild einer Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems mit einer parallel dazu geschalteten Hilfsspannungsstabilisierungsschaltung.
  • Bezug nehmend auf 3 und 13 kann die Stabilisierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ferner eine Hilfsspannungsstabilisierungseinheit 160 umfassen. Die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit 160 umfasst in Paar von Hilfsschaltelementen ST und SB , einen Filterinduktor LF , einen Lade- und Entladekondensator CST und einen Filterkondensator CF .
  • In diesem Zusammenhang kann der Filterkondensator CF die durch den Schaltbetrieb der Hilfsschaltelemente ST und SB verursachte Welligkeit abmildern. Wenn die Hilfsschaltelemente ST und SB außerdem den Einschalt- oder Ausschaltbetrieb mit einer kurzen Totzeit durchführen, kann der Filterinduktor LF den Stromfluss zwischen der Leistungsversorgungsstufe und dem Lade- und Entladekondensator CST begrenzen.
  • Die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit 160 ist parallel zu der Leistungsversorgungsstufe geschaltet. Basierend auf einem Hilfslade- oder Entladesignal SC' lädt die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit 160 die DC-Spannung VBUS , die von der Leistungsversorgungsstufe geliefert wird, an den Lade- oder Entladekondensator CST oder entlädt die in dem Lade- oder Entladekondensator CST geladene Spannung an die Leistungsversorgungsstufe.
  • Die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit 160 kann unabhängig von dem Betrieb der Schalteinheit 150, wie vorstehend beschrieben, arbeiten.
  • Selbst wenn mit anderen Worten die Vorrichtung 100 zur Stabilisierung des Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems als die Inverterschaltung konfiguriert ist, kann, wie in 6 gezeigt, gemäß dem Betrieb der Schalteinheit 150 die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit 160 aktiviert werden.
  • Erneut Bezug auf 4 nehmend kann die Steuereinheit 140, um die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit 160, wie vorstehend beschrieben, zu aktivieren, die DC-Spannung VBUS , die von der Leistungsversorgungsstufe geliefert wird, mit einem Referenzbereich vergleichen und basierend auf dem Vergleichsergebnis ein Hilfslade- oder Entladesignal SC' an die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit 160 bereitstellen.
  • Das Hilfslade- oder Entladesignal SC' ist das Gleiche wie das vorstehend beschriebene Lade- oder Entladesignal SC , und folglich wird seine detaillierte Beschreibung weggelassen.
  • Die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit 160 lädt den Lade- und Entladekondensator CST unter Verwendung des in dem Filterinduktor LF gespeicherten Stroms oder entlädt die in dem Lade- und Entladekondensator CST gespeicherte Spannung durch den Filterinduktor LF an die Leistungsversorgungsstufe.
  • Die Hilfsschaltelemente ST und SB , der Filterinduktor LF , der Lade- und Entladekondensator CST und der Filterkondensator CF , wie in 13 gezeigt, führen jeweils die gleichen Funktionen durch wie die der allgemeinen Schaltelemente S1 und S1', des Lade- und Entladeinduktors LC , des ersten Kondensators CT und des zweiten Kondensators CB .
  • Folglich kann der Betrieb der Hilfsspannungsstabilisierungseinheit 160 der Gleiche wie der Betrieb der Spannungsstabilisierungseinheit 130, wie unter Bezug auf 8 bis 12 beschrieben, sein.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann die Stabilisierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung den Antrieb des Motors 20 und den Spannungsstabilisierungsbetrieb des DC-Verteilungssystems wahlweise aktivieren. Wenn ferner der Motor 20 nicht angetrieben wird, kann die Stabilisierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung den Spannungsstabilisierungsbetrieb unter Verwendung der Kondensatoren CT und CB in der Last (zum Beispiel ein Haushaltsgerät, wie etwa eine Klimaanlage) effektiver durchführen.
  • 14 und 15 zeigen verbesserte Wellenformen der Leistungsversorgungsstufenspannung in der transienten Zeitspanne gemäß der Anmeldung der vorliegenden Offenbarung.
  • Nachdem die Last mit dem DC-Verteilungssystem verbunden wurde, kann die Spannungsinstabilität (Spannungsabfall und Schwingung), die in der transienten Zeitspanne Bezug nehmend auf 14 auftritt, durch den Entladebetrieb der Spannungsstabilisierungseinheit 130 abgemildert werden. Mit anderen Worten kann die Spannungsstabilisierungseinheit 130 nach dem Spannungsabfall aufgrund der Lastverbindung den Spannungsabfall in der Leistungsversorgungsstufe durch Entladen der in dem ersten Kondensator CT gespeicherten Spannung kompensieren.
  • Nachdem die Last von dem DC-Verteilungssystem entfernt wurde, kann die Spannungsinstabilität (Spannungsanstieg und Schwingung), die in der transienten Zeitspanne Bezug nehmend auf 15 auftritt, durch den Ladebetrieb der Spannungsstabilisierungseinheit 130 abgemildert werden. Wenn die Spannung mit anderen Worten aufgrund der Lastentfernung steigt, kann die Spannungsstabilisierungseinheit 130 den ersten Kondensator CT unter Verwendung der erhöhten Spannung laden, um den Spannungsanstieg in der Leistungsversorgungsstufe zu kompensieren.
  • Dies verringert die Spitze und die Schwingung der Leistungsversorgungsstufenspannung. Ferner kann die maximale Spannung, die in der Leistungsversorgungsstufe erzeugt wird, begrenzt werden. Somit ist es möglich, eine Komponente mit einer niedrigeren Nennspannung zu verwenden.
  • Während das Vorstehende auf die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausgerichtet ist, können von Fachleuten der Technik vielfältige Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Folglich versteht sich, dass derartige Änderungen und Modifikationen in dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung enthalten sind, es sei denn, sie weichen von dem Schutzgereich der vorliegenden Offenbarung ab.

Claims (10)

  1. Vorrichtung (100) zur Stabilisierung eines Gleichstrom- (DC-) Verteilungssystems, wobei das System eine Leistungsversorgungsstufe (10) umfasst, wobei die Vorrichtung (100) aufweist: eine Kondensatoreinheit (110), die einen ersten Kondensator (111) und einen zweiten Kondensator (112) umfasst, wobei die ersten und zweiten Kondensatoren (111, 112) in Reihe miteinander gekoppelt sind, wobei die Kondensatoreinheit (110) derart parallel zu der Leistungsversorgungsstufe (10) gekoppelt ist, dass die ersten und zweiten Kondensatoren (111, 112) durch eine DC-Spannung, die von der Leistungsversorgungsstufe (10) geliefert wird, geladen werden; eine Invertereinheit (120), die zwei Paare von Antriebsschaltelementen (S2 und S2', S3 und S3') und ein Paar allgemeiner Schaltelemente (S1 und S1') umfasst, wobei die Invertereinheit (120) konfiguriert ist, um die Spannung, die in die Kondensatoreinheit (110) geladen wird, in eine AC-Leistung umzuwandeln und die AC-Leistung an einen mit der Vorrichtung (100) verbundenen Motor (20) bereitzustellen; eine Spannungsstabilisierungseinheit (130), die das Paar allgemeiner Schaltelemente (S1 und S1') umfasst, wobei die Spannungsstabilisierungseinheit (130) konfiguriert ist, um basierend auf einem Lade- oder Entladesignal die allgemeinen Schaltelemente (S1 und S1') zu steuern, um die Kondensatoreinheit (110) mit der DC-Spannung zu laden, die von der Leistungsversorgungsstufe (10) geliefert wird, oder die in die Kondensatoreinheit (110) geladene Spannung in die Leistungsversorgungsstufe (10) zu entladen; eine Schalteinheit (150), die mehrere Schalter (151 - 154) umfasst, wobei die mehreren Schalter (151 - 154) der Schalteinheit (150) konfiguriert sind, um wahlweise die Invertereinheit (120) oder die Spannungsstabilisierungseinheit (130) zu aktivieren; und eine Steuereinheit (140), die konfiguriert ist, um die von der Leistungsversorgungsstufe (10) gelieferte DC-Spannung mit einem Referenzbereich zu vergleichen und das Lade- oder Entladesignal basierend auf dem Vergleichsergebnis an die Spannungsstabilisierungseinheit (130) bereitzustellen.
  2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Schalter (151 - 154) der Schalteinheit (150) umfassen: einen ersten Schalter (151) zum Verbinden des einen Paars allgemeiner Schaltelemente (S1 und S1') und der zwei Paare von Antriebsschaltelementen (S2 und S2', S3 und S3'); einen zweiten Schalter (152) zum Verbinden eines ersten Knotens (N1) zwischen dem einen Paar allgemeiner Schaltelemente (S1 und S1') und dem Motor (20); einen dritten Schalter (153) zum Verbinden eines zweiten Knotens (N2) zwischen dem ersten Kondensator (111) und dem zweiten Kondensator (112) und dem ersten Knoten (N1); und einen vierten Schalter (154) zum wahlweisen Verbinden eines positiven Anschlusses des ersten Kondensators (111) oder des zweiten Knotens (N2) mit der Leistungsversorgungsstufe (10).
  3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei die Schalteinheit (150) konfiguriert ist, um den ersten Schalter (151) und den zweiten Schalter (152) einzuschalten und den dritten Schalter (153) auszuschalten, und um den vierten Schalter (154) derart zu steuern, dass der positive Anschluss des ersten Kondensators (111) wahlweise mit der Leistungsversorgungsstufe (10) verbunden wird, um dadurch wahlweise die Invertereinheit (120) zu aktvieren.
  4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei die Schalteinheit (150) konfiguriert ist, um den ersten Schalter (151) und den zweiten Schalter (152) auszuschalten und den dritten Schalter (153) einzuschalten, und um den vierten Schalter (154) derart zu steuern, dass der zweite Knoten (N2) wahlweise mit der Leistungsversorgungsstufe (10) verbunden wird, um dadurch wahlweise die Spannungsstabilisierungseinheit (130) zu aktivieren.
  5. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spannungsstabilisierungseinheit (130) einen Lade- und Entladeinduktor (LC) umfasst, wobei ein Ende des Lade- und Entladeinduktors (LC) mit einem ersten Knoten (N1) zwischen dem einen Paar allgemeiner Schaltelemente (S1 und S1') verbunden ist und das andere Ende mit einem zweiten Knoten (N2) zwischen dem ersten Kondensator (111) und dem zweiten Kondensator (112) verbunden ist, wobei die Spannungsstabilisierungseinheit (130) konfiguriert ist, um den ersten Kondensator (111) mit einem Strom zu laden, der in dem Lade- und Entladeinduktor (LC) gespeichert ist, oder um die in dem ersten Kondensator (111) geladene Spannung durch den Lade- und Entladeinduktor (LC) an die Leistungsversorgungsstufe (10) zu entladen.
  6. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das eine Paar allgemeiner Schaltelemente (S1 und S1') konfiguriert ist, um das Einschalten oder Ausschalten basierend auf dem Lade- oder Entladesignal durchzuführen.
  7. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei, wenn die DC-Spannung den Referenzbereich übersteigt, die Steuereinheit (140) konfiguriert ist, um ein Ladesignal an die Spannungsstabilisierungseinheit (130) bereitzustellen, wobei, wenn die DC-Spannung kleiner als der Referenzbereich ist, die Steuereinheit (140) konfiguriert ist, um ein Entladesignal an die Spannungsstabilisierungseinheit (130) bereitzustellen.
  8. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner eine Hilfsspannungsstabilisierungseinheit (160) aufweist, wobei die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit (160) ein Paar von Hilfsschaltelementen (ST und SB), einen Filterinduktor (LF), einen Lade- und Entladekondensator(CST) und einen Filterkondensator (CF) aufweist, wobei die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit (160) parallel mit der Leistungsversorgungsstufe (10) verbunden ist, wobei die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit (160) konfiguriert ist, um basierend auf einem Hilfslade- oder Entladesignal den Lade- und Entladekondensator (CST) mit der DC-Spannung, die von der Leistungsversorgungsstufe (10) geliefert wird, zu laden oder die geladene Spannung von dem Lade und Entladekondensator (CST) an die Leistungsversorgungsstufe (10) zu entladen.
  9. Vorrichtung (100) nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (140) konfiguriert ist, um die von der Leistungsversorgungsstufe (10) gelieferte DC-Spannung mit dem Referenzbereich zu vergleichen und basierend auf dem Vergleichsergebnis das Hilfslade- oder Entladesignal an die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit (160) bereitzustellen.
  10. Vorrichtung (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Hilfsspannungsstabilisierungseinheit (160) konfiguriert ist, um den Lade- und Entladekondensator (CST) mit einem in dem Filterinduktor (LF) gespeicherten Strom zu laden oder die in dem Lade- und Entladekondensator (CST) gespeicherte Spannung durch den Filterinduktor (LF) an die Leistungsversorgungsstufe (10) zu entladen.
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