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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Last mit elektrischer Energie aufweisend zumindest eine erste und eine zweite Stromversorgung. Die Last wird damit durch die erste und/oder zweite Stromversorgung mit elektrischer Energie versorgt.
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In bekannten Systemen wird jeweils eine Diode hinter die Stromversorgungen geschaltet, um zu verhindern, dass zwischen den Stromversorgungen Querströme fließen können. Dies führt jedoch dazu, dass bereits kleine Spannungsabweichungen zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Stromversorgungen große Stromabweichungen der Ausgangsströme zur Folge haben. Dies kann soweit gehen, dass fast der gesamte Strom nur über eine Stromversorgung bereitgestellt wird. Es ist daher nötig, beide Versorgungspfade bezüglich der verwendeten Kabeldurchmesser, der Sicherungen und der Verbindungen dazu auszulegen, den maximalen Strom alleine bereitstellen zu können. Dies ist teilweise aufgrund von verschiedenen Beschränkungen, beispielsweise maximaler Kabeldurchmesser, nicht realisierbar. Selbst wenn eine entsprechende Auslegung der Bauteile möglich ist, ist dies jedoch immer mit hohen Kosten verbunden.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen mit der eine Last von zwei Stromversorgungen versorgt werden kann, auch wenn die Stromversorgungen unterschiedliche Potenziale oder verschiedene Widerstände aufweisen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Stromversorgung über ein erstes Schaltelement mit der Last verbunden ist und die zweite Stromversorgungen über ein zweites Schaltelement mit der Last verbunden ist, sodass die erste und die zweite Stromversorgung über einen gemeinsamen Knoten mit der Last in Verbindung stehen. Außerdem ist ein Steuergerät vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, das erste und das zweite Schaltelement mit einem Pulsweitenmodulationssignal anzusteuern. Die Periodendauer der Pulsweitenmodulation kann insbesondere unter 10 Sekunden, bevorzugt zwischen 1 und 1000ms, besonders bevorzugt zwischen 50 und 200ms, insbesondere bei 100ms liegen. Die beiden Stromversorgungen mit dem jeweiligen Schaltelement bilden je einen Versorgungspfad dessen Widerstände durch das Pulsweitenmodulationssignal variiert werden. Je höher der Tastgrad (duty cycle) des Pulsweitenmodulationssignals ist, desto geringer ist der Widerstand dieses Versorgungspfads. Da der Strom, welcher über einen der Pfade fließt über dessen Potential und den Widerstand bestimmt ist, kann durch Variation der Widerstände die Ströme der beiden Versorgungspfade geregelt werden. Durch die Pulsweitenmodulation kann das Schaltelement jeweils in, oder zumindest nahe, den völlig leitenden und völlig sperrenden Zuständen betrieben werden. In diesen Zuständen ist die Verlustleistung von Schaltelementen, insbesondere MOSFETs, wesentlich geringer als in Zwischenzuständen, weshalb durch die Pulsweitenmodulation im Vergleich mit einer analogen Regelung die Verlustleistung stark reduziert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Schaltelemente MOSFETs und sind insbesondere als eine ideale Diode Schaltung ausgebildet. MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistor, dt. Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) weisen eine besonders niedrige Verlustleistung auf und eignen sich daher auch zum verlustarmen Schalten von hohen Strömen. Die ideale Diode Schaltung arbeitet wie eine Diode, die jeweils in Durchlassrichtung von der Stromversorgung zur Last orientiert ist. Die Verlustleistung in Durchlassrichtung ist jedoch wesentlich geringer als die einer Halbleiterdiode. Der Strom der Stromversorgungen kann daher im Wesentlichen ungehindert zu der Last fließen, wobei die ideale Diode Schaltung dafür sorgt, dass Querströme zwischen den Stromversorgungen verhindert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die MOSFETS eine Bulk-Diode auf, welche jeweils in Durchlassrichtung von der jeweiligen Stromversorgung zur Last geschaltet ist. Im hochohmigem Zustand des MOSFETS ergibt sich daher ein Spannungsabfall über die Diode von etwa 0,8V und nur etwa 0,1V wenn der MOSFET niederohmig geschaltet ist. Der MOSFET wird nur zwischen einem fast vollständig sperrendem Zustand und einem fast vollständig leitendem Zustand also zwischen einem hochohmigen Zustand und einem niederohmigen Zustand hin und her geschaltet, um immer zumindest einen geringen Spannungsabfall zwischen Drain und Source aufzuweisen, welcher zur Regelung des MOSFETs als Diode genutzt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Steuergerät dazu eingerichtet, das erste und das zweite Schaltelement alternierend anzusteuern. Das bedeutet, dass zu jedem Zeitpunkt eines der Schaltelemente niederohmig und das andere hochohmig geschaltet ist. Die Tastgrade der Pulsweitenmodulationssignale addieren sich daher im Wesentlichen zu 1. Dabei können sich lediglich die Einschalt- und Ausschaltvorgänge der Schaltelemente überlappen. Es wird somit ein Schaltzustand vermieden, bei dem beide Schaltelemente durchgeschaltet sind. In diesem Zustand gäbe es eine direkte Verbindung zwischen den Stromversorgungen und es könnten daher Querströme zwischen den Stromversorgungen fließen. Auch ein Zustand mit beiden Schaltelementen in hochohmigem Zustand wird vermieden. Zwar würde in einem solchen Zustand die Funktionsfähigkeit der Schaltungsanordnung nicht eingeschränkt, wenn das Schaltelement eine Bulkdiode in Durchlassrichtung aufweist, jedoch würden durch die Dioden unnötige Verluste erzeugt.
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Bei der Verwendung einer ideale Diode Schaltung als Schaltelement muss das gleichzeitige niederohmig schalten nicht vermieden werden, da die ideale Diode Schaltung auch in diesem Zustand Querströme verhindert, da die MOSFETs nicht ganz durchgeschaltet werden. In diesem Fall kann eine (zumindest kurzeitig) überlappende Ansteuerung sogar von Vorteil sein, da so eine kurzeitige Unterbrechung des Stromflusses vermieden wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine dritte also eine weitere Stromversorgung vorgesehen, welche über zumindest ein drittes also weiteres Schaltelement mit der Last verbunden ist. Das Steuergerät ist entsprechend dazu eingerichtet, das zumindest eine weitere Schaltelement ebenfalls mit einem Pulsweitenmodulationssignal anzusteuern, wobei die Pulsweitenmodulationsignale des ersten, des zweiten und des zumindest einen weiteren Schaltelements derart ausgebildet sind, dass immer genau ein Schaltelement in niederohmigem Zustand ist und die restlichen Schaltelemente im hochohmigen Zustand sind. Dadurch wird auch für die Variante mit einer Vielzahl an Stromversorgungen verhindert, dass Querströme zwischen den Stromversorgungen fließen können. Bei idealen Dioden Schaltungen kann jedoch auch hier eine Überlappung vorgesehen sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Pulsweitenmodulationssignal Einschaltflanken und Ausschaltflanken mit einer Steigung geringer 1000kV/Sekunde auf. Prinzipiell möchte man mit einer möglichst steilen Flanke zwischen dem niederohmigen und dem hochohmigen Zustand umschalten, um sich nur möglichst kurz in einem Zwischenzustand zu befinden. In dem Zwischenzustand weisen Schaltelemente, insbesondere MOSFETs das Maximum der Verlustleistung auf. Allerdings führt eine steile Flanke zu einem großen Anteil hoher Frequenzen im Signal und damit zu einer Problematik bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit. Da eine effektive Abschirmung der Zuleitungen mit zu hohen Kosten verbunden ist, ist somit ein Kompromiss bezüglich der Steilheit der Flanken zu finden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in dem Steuergerät Informationen über zumindest eine Vorgabe der ersten, zweiten und/oder der weiteren Stromversorgung gespeichert und das Steuergerät ist dazu eingerichtet, die Tastgrade der Pulsweitenmodulationssignale derart zu wählen, dass die Vorgabe erfüllt wird. Durch die Regelung mittels Pulsweitenmodulation können somit verschiedenste Anforderungen an die Stromversorgungen umgesetzt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorgabe eine Aufteilung eines mittleren Gesamtstroms der Last auf die erste Stromversorgung und die zweite Stromversorgung, wobei die Aufteilung durch Messung der tatsächlichen Ströme der ersten, zweiten und/oder der weiteren Stromversorgung bestimmt wird. Hat eines der Stromversorgungen einen mittleren Strom, welcher einem Anteil an dem mittleren Gesamtstrom entsprich der kleiner ist als eine gespeicherte Vorgabe, so wird der Tastgrad dieser Stromversorgung erhöht und der Tastgrad der anderen Stromversorgung entsprechend erniedrigt. Ist der Anteil hingegen zu hoch, wird der Tastgrad erniedrigt. Stimmt der Anteil im Rahmen einer vorgegebenen Ungenauigkeit überein, wird der Tastgrad beibehalten.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorgabe eine Spannungsvorgabe und der Tastgrad wird basierend auf Messungen der tatsächlichen Spannungen der ersten, zweiten und/oder weiteren Stromversorgung bestimmt. Liegt das elektrische Potential einer Stromversorgung höher als das der anderen Stromversorgung, so kann dieser Stromversorgung ein kleinerer Tastgrad zugewiesen werden als der Stromversorgung mit dem niedrigeren Potential. Dies gleicht den höheren Stromanteil durch das höhere Potential aus. Ein Zusammenhang zwischen dem Potentialunterschied und dem zu verwendenden Tastgrad kann in dem Steuergerät hinterlegt sein. Dazu kann beispielsweise rechnerisch oder experimentell ein Zusammenhang zwischen den Strömen und dem Potentialunterschied bestimmt werden, und aus Vorgaben für die Ströme der entsprechende Tastgrad bestimmt werden.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorgabe technische Spezifikationen der ersten, zweiten und/oder der weiteren Stromversorgung. Dies können Grenzwerte und/oder interne Parameter der Stromversorgung, wie beispielsweise ein maximaler Stromwert, sein, welche nicht überschritten werden sollen. Dabei kann es sich um einen maximalen zeitlich gemittelten Stromwert handeln. Das heißt beispielsweise, dass ein Netzteil mit einem maximalen Strom von 50 A problemlos mit einem 50% PWM Signal zwischen 60A und 20A umgeschaltet werden kann, da der mittlere Strom lediglich bei 40A liegt.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Schaltelement einen Back-to-Back Transistor. Dabei handelt es sich um zwei gegenpolig angeordnete Transistoren, beispielsweise MOSFETs, bei denen die Bulk-Dioden entgegengesetzt angeordnet sind. Damit ist ein vollständiges Absperren einer Stromversorgung möglich und somit kann verhindert werden, dass ein Fehler einer Stromversorgung weitere elektrische Bauteile beeinträchtig oder zerstört. Außerdem lässt sich der Strom jeder Stromversorgung somit unabhängig von den Potentialwerten zwischen 0% und 100% des Gesamtstroms regeln.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 13 zur Versorgung einer Last mit elektrischer Energie, wobei durch ein Steuergerät Pulsweitenmodulationssignale bereitgestellt werden mit dem ein erstes und ein zweites Schaltelement angesteuert werden, wobei durch das erste und das zweite Schaltelement durch die Ansteuerung mittels Pulsweitenmodulation eine erste und eine zweite Stromversorgung mit einer Last verbunden werden. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich durch die vorstehenden Ausführungen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichen der Erfindung ergeben sich auch durch die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen. Dabei gehören alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination zum Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
- 1 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung aus dem Stand der Technik,
- 2 zeigt ein Diagramm mit den Strömen der Schaltungsanordnung aus 1,
- 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
- 4 zeigt ein Diagramm mit den Strömen der Schaltungsanordnung aus 3,
- 5 zeigt ein Diagramm mit den Strömen der Schaltungsanordnung aus 3 mit einer alternativen Stromverteilung;
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Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung 1 weist ein erstes Netzteil 2 auf, welches eine Stromversorgung für die Last 6 bildet und ein zweites Netzteil 3, welches ebenfalls eine Stromversorgung für die Last 6 bildet. Das erste Netzteil 2 ist über eine erste Diode 4 mit der Last 6 verbunden und das zweite Netzteil 3 ist über eine zweite Diode 5 ebenfalls mit der Last 6 verbunden. Die Last 6 weist darüber hinaus eine Ground-Verbindung 7 auf, welche die Verbindung des zweiten Pols mit den Netzteilen 2 und 3 herstellt. Durch die erste Diode 4 und die zweite Diode 5 wird verhindert, dass zwischen dem ersten Netzteil 2 und dem zweiten Netzteil 3 Querströme fließen können, welche eine Beschädigung der Netzteile nach sich ziehen könnte.
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Sind das erste Netzteil 2 und das zweite Netzteil 3 tatsächlich völlig identisch, so liefern beide Netzteile 2, 3 den gleichen Anteil am elektrischen Strom, welcher durch die Last 6 fließt. Bereits bei geringen Abweichungen der bereitgestellten Versorgungsspannung des ersten Netzteils 2 und des zweiten Netzteils 3 wird jedoch ein erheblicher Anteil des elektrischen Stroms der Last 6 durch das Netzteil 2, 3 bereitgestellt, welches die höhere Versorgungsspannung aufweist.
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Dies ist in dem Diagramm der 2 dargestellt, welches den Fall zeigt, dass die Spannung des ersten Netzteils 2 um etwa 0,3 V höher liegt als die Spannung des zweiten Netzteils 3. Es ist gezeigt, wie der Gesamtstrom Iges, der durch die Last 6 fließt, nach dem Einschalten der Last 6 ansteigt auf seinen Maximalwert von etwa 80 A. Der Gesamtstrom Iges setzt sich zusammen aus einem Strom I1 des ersten Netzteils 2 und einem Strom I2 des zweiten Netzteils 3. Wie sich dem Diagramm entnehmen lässt, fließen bereits bei diesen geringen Abweichungen der Spannungen etwa 78A über das erste Netzteil und nur etwa 2A über das zweite Netzteil. Das erste Netzteil wird somit überproportional belastet.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 10 mit einem ersten Netzteil 11, welches als Stromversorgung für eine Last 13 dient, und ein zweites Netzteil 12, welches ebenfalls als Stromversorgung für die Last 13 dient. Das erste Netzteil 11 ist über eine Ideale-Diode-Schaltung 14 mit der Last 13 verbunden und das zweite Netzteil 12 über eine Ideale-Diode-Schaltung 15. Eine Ideale-Diode-Schaltung 14, 15 ist ein Präzisionsgleichrichter, welcher das Verhalten einer Diode nachahmt, wobei die Ideale-Diode-Schaltung 14, 15 geringere Leckströme in Sperrichtung und einen geringeren Spannungsabfall in Durchlassrichtung aufweist. Die Ideale-Diode-Schaltungen 14, 15 weisen jeweils einen MOSFET 17 auf, der über eine Gate-Elektrode 18 mit einem Steuergerät 20 verbunden ist. Die MOSFETs 17 weisen jeweils eine intrinsische Bulkdiode 16 auf, welche von dem jeweiligen Netzteil 11, 12 in Durchlassrichtung zur Last 13 geschaltet ist. Dadurch kann sowohl das erste Netzteil 11 als auch das zweite Netzteil 12 jederzeit die alleinige Stromversorgung für die Last 13 bilden, da ein Strom vom ersten Netzteils 11 durch die Bulkdiode 16 der Ideale-Diode-Schaltung 14 zur Last 13 fließen kann und auch der Strom vom zweiten Netzteil 12 durch die Bulkdiode 16 der Ideale-Diode-Schaltung 15 zur Last 13 fließen kann. Dies ist jeweils unabhängig vom Schaltzustand des MOSFETs 17 in der Ideale-Diode-Schaltung 14 und 15. Über die Bulkdiode 16 fällt jedoch eine Spannung von etwa 0,8 V ab. Da der MOSFET 17 im niederohmigen Zustand einen geringeren Spannungsabfall aufweist, kann durch Schalten des MOSFETs 17 in der Ideale-Diode-Schaltung 14 und in der Ideale-Diode-Schaltung 15 jeweils der Spannungsabfall über die Ideale-Diode-Schaltung 14, 15 zwischen einer Spannung von etwa 0,8 V und etwa 0,1 V variiert werden. Da wie zu 1 und 2 bereits erläutert, schon geringfügige Spannungsvariationen zu einer großen Stromvariation führen können, genügt dies, um den Strom des ersten Netzteils 11 und des zweiten Netzteils 12 stark zu variieren.
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Dazu ist vorgesehen, dass das Steuergerät 20 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 10 dazu eingerichtet ist, die Ideale-Dioden-Schaltung 14 und die Ideale-Dioden-Schaltung 15 jeweils mit einem pulsweitenmodulierten Signal zu versorgen. Entsprechend werden die Ideale-Dioden-Schaltung 14 und die Ideale-Dioden-Schaltung 15 jeweils alternierend an und aus geschaltet, sodass der Spannungsabfall über die Ideale-Dioden-Schaltung 14 und 15 jeweils zwischen 0,8 V und 0,1 V wechselt.
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Dies ist in dem Diagramm der 4 dargestellt. Diese zeigt äquivalent zur 2 sowohl den Strom I1 des ersten Netzteils 11, den Strom I2 zweiten Netzteils 12 als auch den Mittelwert l 1 und den Mittelwert l 2 der Ströme l1, l2 und den Gesamtstrom Iges.
In 4 ist wieder ein Fall dargestellt, bei dem die Versorgungsspannung des ersten Netzteils 11 um etwa 0,3V höher liegt, als die Versorgungsspannung des zweiten Netzteils 12. Wird nun die erste Ideale-Dioden-Schaltung 14 des ersten Netzteils 11 niederohmig geschaltet, weist diese lediglich einen Spannungsabfall von etwa 0,1V auf. Wird gleichzeitig die Ideale-Dioden-Schaltung 15 des zweiten Netzteils 12 hochohmig geschaltet, hat diese einen Spannungsabfall von etwa 0,8 V. Der Spannungsunterschied zwischen dem ersten Netzteil 11 und dem zweiten Netzteil 12 wird daher auf einen Gesamtwert von etwa 1V erhöht, wodurch fast der gesamte Strom Iges durch das erste Netzteil 11 bereitgestellt wird. Wird hingegen die Ideale-Dioden-Schaltung 14 des ersten Netzteils hochohmig geschaltet und die Ideale-Dioden-Schaltung 15 des zweiten Netzteils 12 durchgeschaltet, ergibt sich ein umgedrehter Spannungsunterschied von etwa 0,4 V. In diesem Fall werden etwa 45 A durch das zweite Netzteil 12 bereitgestellt und lediglich 35 A durch das erste Netzteil 11. In 2 sind beide Schaltelemente14, 15 als ideale Diode ausgebildet mit einem geregelten Spannungsabfall. Wenn eine ideale Diode an Ihrem Ausgang eine höhere Spannung hat als die andere Diode, dann ist diese aufgrund der Diodenwirkung automatisch im Sperrbetrieb, da am Ausgang eine höhere Spannung als am Eingang anliegt. Bei einer realen Diode, wie sie durch die Bulk Diode gebildet wird, hängt der Spannungsabfall vom Strom ab, wobei die genannten 0,8V erst bei hohen Strömen erreicht werden. Bei kleinerem Spannungsabfall kann aber noch ein relevanter Strom fließen. Dadurch wird der Strom nicht zu 0, wenn die ideale Diode ausgeschaltet ist.
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Die Ideale-Dioden-Schaltung 14 und die Ideale-Dioden-Schaltung 15 werden durch das Steuergerät 20 alternierend jeweils mit einem Pulsweitenmodulationssignal mit einer Periodendauer T angesteuert. Beide Pulsweitenmodulationssignale weisen jeweils einen Tastgrad von 0,5 auf, sodass die Ideale-Dioden-Schaltung 14 und die Ideale-Dioden-Schaltung 15 jeweils die halbe Periodendauer T eingeschaltet sind.
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Durch die alternierende Schaltung ist immer eine Ideale-Dioden-Schaltung 14, 15 eingeschaltet und eine Ideale-Dioden-Schaltung ausgeschaltet, wobei sich die Einschaltvorgänge und Ausschaltvorgänge überlappen. Somit ergibt sich ein Mittelwert des Stroms I1 des ersten Netzteils 11 in Höhe von etwa 45A und ein Mittelwert des Stroms I2 des zweiten Netzteils 12 von etwa 35 A Um den Mittelwert l 1 des Stroms I1 des ersten Netzteils 11 und den Mittelwert l 2 des Stroms I2 des zweiten Netzteils 12 aneinander oder an die Leistungsfähigkeit der einzelnen Netzteile 11, 12 anzupassen, können die Tastgrade der Pulsweitenmodulationsignale geändert werden. In 5 ist die Situation dargestellt, dass die Ideale-Dioden-Schaltung 14 des ersten Netzteils 11 lediglich zu 30 % der Zeit eingeschaltet ist und die Ideale-Dioden-Schaltung 15 des zweiten Netzteils 12 zu 70 % der Zeit eingeschaltet ist. Dadurch verschieben sich die mittleren Ströme I 1, I2 des ersten Netzteils 11 auf etwa 31 A und der des zweiten Netzteils 12 auf etwa 49 A.
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In dem Steuergerät 20 kann beispielsweise eine Vorgabe hinterlegt sein, dass die mittleren Ströme , I 1, I 2 des ersten Netzteils 11 und des zweiten Netzteils 12 im Wesentlichen gleich sein sollen. Entsprechend kann das Steuergerät 20 den Tastgrad der ersten Idealen-Dioden-Schaltung 14 und der zweiten Idealen-Dioden-Schaltung 15 so lange anpassen, bis dieser Zustand erreicht ist. Ist der mittlere Strom , l 1 des ersten Netzteils 11 noch zu hoch, so wird der Tastgrad der Idealen-Dioden-Schaltung 14 entsprechend reduziert. Das Steuergerät 20 ist dazu eingerichtet, die Idealen-Dioden-Schaltung 14 und Idealen-Dioden-Schaltung 15 immer nur alternierend zu schalten, sodass niemals beide Idealen-Dioden-Schaltungen gleichzeitig durchgeschaltet sind.
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Durch die erfindungsgemäße Schaltung ist es somit möglich, die Stromaufteilung zwischen zwei Netzteilen zu regeln, sodass die einzelnen Versorgungspfade nicht auf den Gesamtstrom ausgelegt werden müssen.
