DE10335907A1

DE10335907A1 - Spannungshochsetzteller

Info

Publication number: DE10335907A1
Application number: DE10335907A
Authority: DE
Inventors: Stephan Pauli
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2005-03-03
Also published as: DE112004001940D2; WO2005015722A1

Abstract

Spannungshochsetzsteller (3) mit mindestens einem elektrischen Hochsetzstellerzweig (1, 2), der mindestens ein induktives Bauelement (4, 6) und einen zu diesem Bauelement in Reihe geschalteten elektronischen Schalter (5, 7) aufweist und in dem zwischen dem induktiven Bauelement (4, 6) und dem elektronischen Schalter (5, 7) ein Abgriff (8, 9) für die hochgesetzte Spannung vorgesehen ist, wobei das induktive Bauelement (4, 6) mindestens eine der Wicklungen einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine ist und dass der elektronische Schalter (5, 7) ein zur Kommutierung der Maschine eingesetzter Transistor ist. Des Weiteren werden die Verwendung einer elektronisch kommutierten Maschine zur Bereitstellung eines Spannungshochsetzstellers (3) sowie eine elektronisch kommutierte Maschine mit einer eine Spannungsglättung bewirkenden Zusatzbeschaltung (10) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungshochsetzsteller gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, die Verwendung einer elektronisch kommutierten Maschine zur Bereitstellung eines Spannungshochsetzstellers gemäß dem unabhängigen Anspruch 3 und eine elektronisch kommutierte Maschine mit einer Zusatzbeschaltung gemäß dem unabhängigen Anspruch 4.
Der Einsatz von elektrischen Bauteilen und elektrischen Schaltungen ist weit verbreitet und ermöglicht eine Vielzahl von Funktionen. Um das Betreiben von elektrischen Schaltungen und der darin befindlichen elektrischen Bauteile zu gewährleisten, ist stets eine adäquate Leistungsversorgung erforderlich. So ist es zum Beispiel bekannt, dass Gebläse- und/oder Lüftermotoren unterhalb einer bestimmten Mindestspannung keine funktionsgemäße Wirkung zeigen. Während die Spannungsanforderungen bei einem stationären, insbesondere netzverbundenen Betrieb regelmäßig erfüllt werden können, so sind beim mobilen Einsatz, insbesondere bei Verwendung einer Batterie als Spannungsquelle, zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um eine adäquate Spannungsversorgung zu sichern. Um den Betrieb einer elektrischen Schaltung sicherzustellen, auch wenn die Spannung der Energiequelle (zum Beispiel Batterie oder Generator) unter die zum Betrieb der Schaltung notwendige Mindestspannung fällt, ist aus dem Stand der Technik der Einsatz eines Spannungshochsetzstellers bekannt. Mittels des Hochsetzstellers lassen sich Spannungen erzeugen, die oberhalb einer zur Verfügung stehenden Versorgungsspan nung liegen. Damit wird es möglich, elektrische Schaltungen auch dann zu betreiben, wenn die Versorgungsspannung unter die für den Betrieb der elektrischen Schaltung erforderliche Mindestspannung abfällt, da der Spannungshochsetzsteller eine ausreichende Spannung bereitstellen kann. Aufgrund der für eine Realisierung des Spannungshochsetzstellers zusätzlich benötigten Bauteile (zum Beispiel Spulen, Transistoren, getaktete Ansteuerung) ist der Einsatz eines Spannungshochsetzstellers stets mit erhöhten Kosten verbunden.
Die Erfindung zeigt einen Spannungshochsetzsteller auf, mit mindestens einem elektrischen Hochsetzstellerzweig, der mindestens ein induktives Bauelement und einen zu diesem Bauelement in Reihe geschalteten elektronischen Schalter aufweist und in dem zwischen dem induktiven Bauelement und dem elektronischen Schalter ein Abgriff für die hochgesetzte Spannung vorgesehen ist, wobei erfindungsgemäß das induktive Bauelement mindestens eine der Wicklungen einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine ist und der elektronische Schalter ein zur Kommutierung der Maschine eingesetzter Transistor ist. Die Erfindung beruht auf der neu gewonnenen Erkenntnis, dass eine elektronisch kommutierte Maschine über Bauteile verfügt, mit denen sich die Funktion eines Spannungshochsetzstellers realisieren lässt. Damit ist die Möglichkeit aufgezeigt, auf einfache Weise einen kostengünstigen Hochsetzsteller zu implementieren. Die Funktion eines erfindungsgemäßen Spannungshochsetzstellers wird im Verlauf dieser Beschreibung erläutert.
Vorteilhaft ist es, wenn der Spannungshochsetzsteller einen ersten und einen zweiten Hochsetzstellerzweig aufweist, wobei die Hochsetzstellerzweige elektrisch parallel zueinander geschaltet sind und wobei die induktiven Bauelemente des ersten und des zweiten Hochsetzstellerzweigs induktiv gekoppelt sind. Es ist dann zusätzlich möglich, die induktive Wechselwirkung zweier Spulen zum Erzeugen ei ner hochgesetzten Spannung zu nutzen. Auch diese Wirkung wird im weiteren Verlauf der Beschreibung erläutert.
Des Weiteren beschreibt die Erfindung die Verwendung einer elektronisch kommutierten Maschine zur Bereitstellung eines Spannungshochsetzstellers, wobei die Maschine mindestens eine Maschinenwicklung und einen die Kommutierung bewirkenden, zur Maschinenwicklung elektrisch in Reihe geschalteten elektronischen Schalter aufweist, wobei ein Abgriff entlang der elektrischen Verbindung zwischen der Maschinenwicklung und dem elektronischen Schalter zum Abgreifen einer hochgesetzten Spannung verwendet wird.
Die Erfindung offenbart auch eine elektronisch kommutierte Maschine mit mindestens einer Maschinenwicklung und einem die Kommutierung bewirkenden, zur Maschinenwicklung elektrisch in Reihe geschalteten elektronischen Schalter, wobei ein zwischen der Maschinenwicklung und dem elektronischen Schalter liegender Abgriff für eine Spannungshochsetzung genutzt wird und mit einer elektrischen, eine Spannungsglättung bewirkenden Zusatzbeschaltung versehen ist. Da die am Abgriff anliegende Spannung aufgrund der Funktionsweise des Hochsetzstellers erhebliche Amplitudenschwankungen aufweist, wird mittels der Zusatzbeschaltung eine gleichförmigere Spannung, ähnlich einer Gleichspannung erzeugt, mit der wiederum auf eine Gleichspannungsversorgung angewiesene, elektrische Schaltungen betrieben werden können.
Mit Vorteil weist die an die elektronisch kommutierte Maschine angeschlossene Zusatzbeschaltung eine Spitzengleichrichtungsschaltung auf. Damit ist es auf einfache Weise mit einer bekannten Technik möglich, die Spannungsglättung zu bewirken.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Zusatzbeschaltung einen Spannungsregler aufweist. Mittels dieser Ausführungsform wird es möglich, die hochgesetzte Spannung auf ein gewünschtes Spannungsni veau zu regeln. Dadurch kann die Zusatzbeschaltung einerseits ein gewünschtes Spannungsniveau einer elektrischen Schaltung zur Verfügung stellen und andererseits verschiedene aus der Hochsetzung resultierende Spannungen nivellieren, auch wenn diese aufgrund von Änderungen in der Versorgungsspannung Schwankungen unterworfen sind.
Die Erfindung soll anhand von in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen
1 das Schaltbild eines Spannungshochsetzstellers mit zwei parallelen Hochsetzstellerzweigen,
2 das Schaltbild eines Spannungshochsetzstellers mit zwei parallelen Hochsetzstellerzweigen und gekoppelten induktiven Bauelementen, und
3 das Schaltbild eines Spannungshochsetzstellers mit Zusatzbeschaltung.
Die 1 zeigt einen Spannungshochsetzsteller 3, der an seiner – auf die Orientierung des Schaltbilds bezogen – oberen Seite mit einer Spannung UB versorgt wird und an seiner unteren Seite eine Anbindung an die Masse GND aufweist. Der elektrische Pfad zwischen der Spannung UB und der Masse GND wird von einem ersten Hochsetzstellerzweig 1 und einem zweiten Hochsetzstellerzweig 2 gebildet, wobei die genannten Hochsetzstellerzweige 1, 2 elektrisch parallel zueinander geschaltet sind. Der erste Hochsetzstellerzweig 1 weist ein induktives Bauelement 4, als Spule L1 ausgeführt, und einen elektronischen Schalter 5, als Transistor T1 ausgeführt, auf. Der zweite Hochsetzstellerzweig 2 weist ein induktives Bauelement 6, als Spule L2 ausgeführt, und einen elektronischen Schalter 7, als Transistor T2 ausgeführt, auf. Entlang der elektrischen Verbindung zwischen der Spule L1 und dem Transistor T1 befindet sich ein erster Abgriff 8, und entlang der elektrischen Verbindung zwischen der Spule L2 und dem Transistor T2 befindet sich ein zweiter Abgriff 9.
Erfindungsgemäß werden die Elemente des Spannungshochsetzstellers 3 mittels der Bauteile einer elektronisch kommutierten Maschine realisiert. Dies bedeutet zum Beispiel, dass die Spule L1 eine Wicklung der elektrischen Maschine repräsentiert und dass der Transistor T1 einen dieser Wicklung zur Kommutierung zugeordneten Transistor darstellt. Die Darstellung von zwei Hochsetzstellerzweigen 1, 2 bedeutet, dass zwei Wicklungen der elektrischen Maschine mit ihren zugehörigen Transistoren zur Spannungshochsetzung verwendet werden. Dies kann einerseits dadurch realisiert werden, indem bei einer Maschine mit zwei Wicklungen beide Wicklungen zur Spannungshochsetzung verwendet werden, aber ebenso ist die Verwendung von zwei Wicklungen in einer Maschine mit drei und mehr Wicklungen möglich. Die Transistoren T1, T2 werden über nicht weiter dargestellte Ansteuerungsschaltungen an ihrem jeweiligen Gate in einen leitenden oder sperrenden Zustand geschaltet.
Zunächst soll der Fall betrachtet werden, wenn beide Transistoren T1, T2 sperrend geschaltet sind. Im Stillstand der elektrischen Maschine stellen die Spulen L1, L2 einen vernachlässigbaren Widerstand dar, so dass an den Abgriffen 8, 9 jeweils die Versorgungsspannung UB abgegriffen werden kann. Eine andere Situation stellt sich ein, wenn sich der Rotor der elektrischen Maschine dreht. Diese Drehbewegung kann durch eine externe Drehmomentbeaufschlagung bewirkt werden, oder aber dadurch, dass – im Fall einer Maschine mit mehr als zwei Wicklungen – die Wicklungen, die nicht zur Spannungshochsetzung verwendet werden, in bekannter Weise bestromt werden und somit die Drehung des Rotors bewirken. Aufgrund der Bewegung die der Rotor der elektrischen Maschine an den Wicklungen vorbei ausführt, wird in den Wicklungen, also in den im Schaltbild dargestellten Spulen L1, L2 eine Spannung induziert. Dabei kann die in den Spulen L1, L2 induzierte Spannung je nach Ro torlage oder Rotorbewegungsrichtung gleich- oder entgegengerichtet zur Versorgungsspannung UB sein, demnach also addierend oder subtrahierend zur Versorgungsspannung UB hinzutreten. Es lässt sich daher je nach Betriebszustand am Abgriff 8 oder am Abgriff 9 eine über die Versorgungsspannung UB hinaus erhöhte Spannung abgreifen.
Wird der Transistor T1 nun leitend geschaltet, so fließt ein Strom von der Versorgungsspannung UB durch die Spule L1 und den Transistor T1 zur Masse GND. Aufgrund des plötzlich einsetzenden Stromflusses in die Spule L1 wird dort durch Selbstinduktion eine Spannung induziert, die dem Stromfluss entgegenwirkt. Am Abgriff 8 stellt sich demnach eine Spannung ein, die unterhalb der Versorgungsspannung UB liegt. Wird nun der Transistor T1 erneut sperrend geschaltet, so bricht der Stromfluss durch die Spule L1 schlagartig ab. Diese Änderung des Stromflusses erzeugt nunmehr eine Spannung, die zur Spannung UB addierend hinzutritt. Nach den genannten Schaltvorgängen lässt sich also am Abgriff 8 eine Spannung oberhalb der Versorgungsspannung UB abgreifen. Ein ähnlich geartetes Schalten kann auch mit dem Transistor T2 durchgeführt werden, wobei ein zeitlicher Versatz vorteilhaft ist, um abwechselnd an den Abgriffen 8, 9 eine hochgesetzte Spannung abzugreifen, nachdem der jeweilige Transistor von einem leitenden in einen sperrenden Zustand geschaltet wurde.
2 zeigt einen Spannungshochsetzsteller 3, bei dem die Spulen L1 und L2 induktiv gekoppelt sind. Es ist dabei zu erkennen, dass die Spulen zueinander gegensinnig gewickelt sind, dass sich also die in der einen Spule induzierte Spannung mit umgekehrtem Vorzeichen auf die jeweils andere Spule überträgt. Es soll nun erneut der Fall betrachtet werden, wenn der Transistor T2 gesperrt ist und der Transistor T1 von einem sperrenden in einen leitenden Zustand geschaltet wird. Erneut führt dies dazu, dass in der Spule L1 eine der Versorgungsspannung UB entgegenwirkende Spannung induziert wird.
Aufgrund der magnetischen Kopplung wird diese Spannung nun mit umgekehrtem Vorzeichen an die Spule L2 übertragen. Demnach liegt entlang der Spule L2 eine Spannung an, die die Versorgungsspannung UB erhöht, so dass am Abgriff 9 eine über das Niveau der Versorgungsspannung UB hochgestellte Spannung abgegriffen werden kann. Wird der Transistor T1 wiederum sperrend geschaltet, so lässt sich – wie zuvor beschreiben – eine hochgesetzte Spannung am Abgriff 8 abgreifen. Damit ist es nun möglich, sowohl beim Durchschalten als auch beim Sperren des Transistors T1 eine hochgesetzte Spannung abzugreifen, und zwar am Abgriff 9 oder am Abgriff 8. Dasselbe Prinzip lässt sich auch mit dem zweiten Hochsetzstellerzweig 2 verwirklichen, so dass sich entlang einer gedachten Zeitachse weitere Möglichkeiten der Entnahme einer hochgesetzten Spannung ergeben, wenn die Transistoren T1, T2 zeitlich versetzt ein- und ausgeschaltet werden. Diese zeitlich versetzte Abfolge von Schaltvorgängen wird vorteilhaft durch das Funktionsprinzip der elektronischen Kommutierung gelöst, bei dem die mittels einer zeitlich versetzten Schaltung von Transistoren bewirkte, temporäre Bestromung von einzelnen Maschinenwicklungen eine Drehung des Rotors hervorruft.
Die Höhe der Spannung, die beim Sperren der Transistoren T1 oder T2 an den Abgriffen 8 oder 9 entsteht, kann die Durchbruchsspannung des jeweiligen Transistors überschreiten, so dass ein Stromfluss durch den Transistor T1 oder T2 dennoch stattfindet und somit Energie an die Masse GND abgeleitet wird. Soll dieser Energieverlust verringert oder ganz vermieden werden, so ist es möglich, die Abgriffe 8, 9 mit einem Kondensator zu verbinden, dessen Energiespeicherkapazität 1/2 × C × U² einen Teil der beim Abschalten der Spule freiwerdenden Energie 1/2 × L × I² zwischenspeichern kann.
3 zeigt eine Zusatzbeschaltung 10, mit der die an den Abgriffen 8, 9 stoßartig auftretenden Spannungsüberhöhungen in eine auf eine bestimmte Höhe eingeregelte und geglättete Spannung umgesetzt werden kann. Die Zusatzbeschaltung 10 besteht dabei aus einer Spitzengleichrichtungsschaltung 11 und einer Spannungsregelungsschaltung 12.
Die Spitzengleichrichtungsschaltung 11 weist eine erste Diode D1, eine zweite Diode D2, einen Widerstand R und einen Kondensator CA auf. Da das Prinzip einer Spitzengleichrichtung hinlänglich bekannt ist, soll an dieser Stelle nur darauf hingewiesen werden, dass die Dioden D1 und D2 lediglich die positiven Halbwellen der an den Abgriffen 8 und 9 entstehenden Spannungen zum Knoten 13 durchlassen. Damit liegt an der Klemme 14, die einerseits den Ausgang der Spitzengleichrichtungsschaltung als auch den Eingang der Spannungsregelungsschaltung darstellt, eine gleichgerichtete, geglättete Spannung an. In der Spannungsregelungsschaltung 12 wird die vorgenannte Spannung mittels des Spannungsreglers 15, zum Beispiel als Längsregler ausgeführt, auf ein gewünschtes Niveau eingeregelt und mittels des nachgeschalteten Kondensators CB stabilisiert. Damit liegt insgesamt am Ausgang der Spannungsregelungsschaltung 12, namentlich der Klemme 16 eine geglättete Spannung an, deren Höhe über der Versorgungsspannung UB liegt. Mittels dieser erzeugten Spannung können schließlich Bauteile oder Schaltungen betrieben werden, die eine Eingangsspannung größer der Versorgungsspannung UB benötigen.
Abhängig von der Zielsetzung bei der Implementierung eines erfindungsgemäßen Spannungshochsetzstellers und in Abhängigkeit von der verwendeten Maschine, insbesondere bezüglich der Anzahl von Wicklungen, können in gleicher Weise auch Spannungshochsetzsteller mit mehr als zwei Hochsetzstellerzweigen realisiert werden. Dabei ist es möglich, mehrere Hochsetzstellerzweige wie in 1 gezeigt parallel zueinander zu betreiben, mehrere Paare von zwei parallel geschalteten Hochsetzstellerzweigen mit induktiv gekoppelten Bauelementen zu verwenden oder aber eine Kombination von ungekoppelten und gekoppelten Hochsetzstellerzweigen zu benutzen.

Claims

Spannungshochsetzsteller (3) mit mindestens einem elektrischen Hochsetzstellerzweig (1, 2), der mindestens ein induktives Bauelement (4, 6) und einen zu diesem Bauelement in Reihe geschalteten elektronischen Schalter (5, 7) aufweist und in dem zwischen dem induktiven Bauelement (4, 6) und dem elektronischen Schalter (5, 7) ein Abgriff (8, 9) für die hochgesetzte Spannung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Bauelement (4, 6) mindestens eine der Wicklungen einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine ist und dass der elektronische Schalter (5, 7) ein zur Kommutierung der Maschine eingesetzter Transistor ist.
Spannungshochsetzsteller (3) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten (1) und einen zweiten Hochsetzstellerzweig (2), wobei die Hochsetzstellerzweige (1, 2) elektrisch parallel zueinander geschaltet sind und wobei die induktiven Bauelemente (4, 6) des ersten (1) und des zweiten Hochsetzstellerzweigs (2) induktiv gekoppelt sind.
Verwendung einer elektronisch kommutierten Maschine zur Bereitstellung eines Spannungshochsetzstellers (3), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maschine mindestens eine Maschinenwicklung und einen die Kommutierung bewirkenden, zur Maschinenwicklung elektrisch in Reihe geschalteten elektronischen Schalter (5, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgriff (8, 9) zwischen der Maschinenwicklung und dem e lektronischen Schalter (5, 7) zum Abgreifen einer hochgesetzten Spannung verwendet wird.
Elektronisch kommutierte Maschine mit mindestens einer Maschinenwicklung und mindestens einem die Kommutierung bewirkenden, zur Maschinenwicklung elektrisch in Reihe geschalteten elektronischen Schalter (5, 7), dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Maschinenwicklung und dem elektronischen Schalter (5, 7) liegender Abgriff (8, 9) für eine Spannungshochsetzung genutzt wird und mit einer elektrischen, eine Spannungsglättung bewirkenden Zusatzbeschaltung (10) versehen ist.
Elektronisch kommutierte Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzbeschaltung (10) eine Spitzengleichrichtungsschaltung (11) aufweist.
Elektronisch kommutierte Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzbeschaltung (10) eine Spannungsregelungsschaltung (11) aufweist.