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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit mindestens zwei in Reihe geschalteten elektronischen Laststromventilen.
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Als Laststromventile werden im Rahmen dieser Anmeldung aktiv angesteuerte oder passiv arbeitende elektronische Schalter, insbesondere Halbleiter-Leistungsschalter bezeichnet, beispielsweise Bipolar-Transistoren, IGBTs (insulated-gate bipolar transistors), MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistors) und auch Dioden, einzeln oder in einer Funktionsverschaltung, die insgesamt wie ein Laststromventil wirkt.
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Derartige Laststromventile werden beispielsweise im Rahmen von Wechselrichterbrücken zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom in einem weiten Spannungs- und Strombereich verwendet. Zur Erzielung einer hohen Spannungsfestigkeit ist es dabei bekannt, zwei oder mehrere Laststromventile in Reihe zu schalten, wodurch sich die Spannungsfestigkeit der Gesamtanordnung gegenüber einem einzelnen Laststromventil um einen Faktor erhöht, der der Anzahl der in Reihe geschalteten Laststromventile entspricht. Dieser Idealfall wird aber nur dann erreicht, wenn über jedem der Laststromventile die gleiche Spannung abfällt. Besonders relevant ist dieser Fall, wenn die Laststromventile nicht leitend sind, da dann üblicherweise an der Gesamtanordnung die größte Spannung anliegt. Falls nicht alle in Reihe geschalteten Laststromventile die gleiche Spannungsfestigkeit aufweisen, wird die größtmögliche Spannungsfestigkeit der Reihenschaltung der Laststromventile erreicht, wenn die über den einzelnen Laststromventilen abfallende Spannung gemäß der Spannungsfestigkeit der einzelnen Elemente aufgeteilt wird.
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Eine auftretende, unerwünschte Verteilung der Spannungen über die Laststromventile kann im Stand der Technik prinzipiell dadurch ausgeglichen werden, dass die Ausschaltzeitpunkte der Laststromventile relativ zueinander verschoben werden. Eine gewünschte Spannungsverteilung lässt sich auf diese Art aber für viele Anwendungsfälle nicht unter allen Betriebsbedingungen präzise genug einstellen, insbesondere weil die Spannungsverteilung zumindest teilweise durch eine zwischen den Laststromventilen unterschiedliche Abbaurate von Ladungsträgern innerhalb der Raumladungszonen der als Halbleiterschalter ausgeführten Laststromventile und damit erst nach dem eigentlichen Abschalten des Laststromventiles erfolgt.
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Eine einfache Lösung, um eine gleichmäßige (oder in bestimmten anderen Verhältnissen vorgegebene) Aufteilung der Spannung auf die einzelnen Laststromventile zu erreichen, besteht in einer Parallelschaltung von Widerständen zu den einzelnen Laststromventilen. Nachteilig an dieser Anordnung ist jedoch, dass permanent ein gewisser Strom über die parallel geschalteten Widerstände fließt, der eine Verlustleistung für die Gesamtanordnung darstellt. Durch diese Verlustleistung wird zum einen die Effektivität der Schaltungsanordnung verringert. Zum anderen ist unter Umständen eine Kühlung der Widerstände vorzusehen, um die diese Verlustleistung als Wärme von den Widerständen abzuführen, was den konstruktiven Aufwand bei der Schaltungsanordnung vergrößert.
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Aus der Druckschrift
DE 198 50 840 A ist eine weitere Lösung bekannt, bei der anstelle von Widerständen eine Reihenschaltung von Widerstand und Kondensator zusammen mit einer Koppeldiode parallel zu den Laststromventilen geschaltet wird. Zusätzlich ist eine Endladevorrichtung zu den Kondensatoren vorgesehen, die eine Endladung der Kondensatoren so steuert, dass eine gewünschte Spannungsaufteilung auf die Laststromventile erreicht wird. Durch diese Lösung kann ein dauerhaft fließender Ausgleichsstrom wirksam verhindert werden, die Lösung erfordert jedoch einen relativ hohen Bauteilaufwand.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei der eine gewünschte Spannungsaufteilung auf die vorhandenen Laststromventile mit geringem Aufwand und mit minimaler Verlustleistung erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens einem der Laststromventile ein steuerbares Ausgleichselement parallel geschaltet ist, wobei eine Ansteuerung der parallel geschalteten Ausgleichselemente derart vorgesehen ist, dass sich die über den Laststromventilen abfallenden Spannungen zueinander gemäß vorgegebener Verhältnisse einstellen.
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Durch die Verwendung eines ansteuerbaren Ausgleichselementes, das parallel zu zumindest einem Laststromventil geschaltet ist, kann eine Verschiebung von Ladungsträgern um das Laststromventil herum stattfinden, durch die der Spannungsabfall am Laststromventil, insbesondere im nicht geschalteten Zustand, eingestellt werden kann. Dadurch, dass diese Ladungsverschiebung gesteuert stattfindet, braucht über den parallel zu den Laststromventilen angeordneten Stromzweig nur die minimal notwendige Ladung zur Erreichung der gewünschten Spannungsaufteilung fließen. Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten fest vorgegebenen Widerständen wird so eine gewünschte Spannungsaufteilung, beispielsweise mit gleich großen über den Laststromventilen abfallenden Spannungen, erzielt, ohne dass eine unnötig hohe Verlustleistung umgesetzt wird.
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Es ist denkbar, dass weitere Laststromventile in der Reihenschaltung der genannten Laststromventile angeordnet sind, denen kein Ausgleichselement parallel geschaltet ist. Insbesondere bei Laststromventilen, deren Potenzial erdnah ist, besteht häufig kein Bedarf zum Ladungsausgleich, weil an diesen Schaltern kein überproportionaler Spannungsabfall zu erwarten ist. Explizit mit umfasst von der Erfindung soll hierbei eine Reihenschaltung von einem Laststromventil mit parallelem Ausgleichselement und einem Laststromventil ohne ein solches Ausgleichselement sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung sind die steuerbaren Ausgleichselemente Transistoren und insbesondere Kleinsignal-Bipolartransistoren oder IGBTs.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung sind die Ausgleichselemente zur Ansteuerung mit einer Ansteuerschaltung verbunden. Die Ansteuerschaltung kann beispielsweise einen Ausgleichssignalerzeuger und einen Referenzspannungserzeuger aufweisen. Über den Referenzspannungserzeuger können die gewünschten Spannungen bzw. Spannungsverhältnisse, die über den Laststromventilen abfallen sollen, vorgegeben bzw. eingestellt werden.
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Die Ansteuerschaltung kann bevorzugt als gemeinsame Ansteuerschaltung ausgebildet sein und beispielsweise einen Prozessor, z.B. eines Mikrocontrollers, aufweisen. Der Prozessor ist vorteilhaft als ein FPGA (Floating Point Gate Array) ausgebildet. Die Ansteuerung der parallel geschalteten Ausgleichselemente kann dann durch den Prozessor zum Beispiel abhängig von erfassten Größen der über den Laststromventilen abfallenden Spannungen erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist die Ansteuerschaltung zur Erzeugung eines Alarmsignals bei Überschreitung eines Grenzwertes durch einen Ausgleichsstrom oder eine Ausgleichsladung einer oder mehrerer der Ausgleichselemente eingerichtet. Auf diese Weise kann die korrekte Funktionsweise der Schaltungsanordnung überwacht werden. Das Alarmsignal kann beispielsweise genutzt werden, um die gesamte Schaltungsanordnung abzuschalten und so die Laststromventile vor einer Beschädigung zu schützen. Es kann auch vorgesehen sein, abhängig von dem Alarmsignal die Vorgaben für die Spannungsverteilung durch Neubestimmung der gewünschten Spannungsbereiche einzelner Laststromventile abzuändern.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist die Ansteuerschaltung zur Erzeugung eines Rückkoppelsignals für eine Schaltung zur relativen Ausrichtung von Schaltzeitpunkten der Laststromventile in Abhängigkeit eines Ausgleichsstromes oder einer Ausgleichsladung einer oder mehrerer der Ausgleichselemente eingerichtet. Mit einem solchen Rückkoppelsignal können dann bei nachfolgenden Schaltvorgängen die Schaltvorgänge derart zueinander ausgerichtet werden, dass die notwendigen Ausgleichsströme und damit die Schaltverluste reduziert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung sind Steuereingänge der steuerbaren Ausgleichselemente mit Abgriffen einer Reihenschaltung von Spannungsteiler-Widerständen verbunden sind, wobei die Reihenschaltung der Spannungsteiler-Widerstände parallel zu der Reihenschaltung der Laststromventile geschaltet ist. Die Steuereingänge können dabei unmittelbar oder über Treiber mit den Abgriffen der Reihenschaltung der Spannungsteiler-Widerstände verbunden sein. Diese analog arbeitende Schaltungsanordnung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und eine hohe Zuverlässigkeit auf.
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Alternativ oder zusätzlich zu der genannten Ansteuerschaltung können den Ausgleichselemente jeweils Direktansteuerschaltungen zugeordnet sein, die beispielsweise eine Reihenschaltung aus Widerstand und Zener-Diode umfassen. Die Direktansteuerschaltungen schalten sehr schnell und ergänzen sich daher besonders vorteilhaft mit einer prozessorgesteuerten Ansteuerschaltung. Bei schnellen Spannungsänderungen an der Reihenschaltung der Laststromventile verhindern die Direktansteuerschaltungen kurzfristig Spannungsspitzen, bis die prozessorgesteuerte Ansteuerschaltung die gewünschte Spannungsverteilung ihrerseits durch Ansteuerung der Ausgleichselemente einstellt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 ein erstes Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer Reihenschaltung von Laststromventilen;
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2 ein zweites Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer Reihenschaltung von Laststromventilen;
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3 ein Prinzipschaltbild einer Ausgleichsschaltung mit Direktansteuerung für eine erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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4 ein weiteres Prinzipschaltbild einer Ausgleichsschaltung mit Direktansteuerung für eine erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit zwei Laststromventilen;
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6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit zwei in Reihe geschalteten Laststromventilen; und
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7 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit drei in Reihe geschalteten Laststromventilen.
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1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer Reihenschaltung 100 von Laststromventilen 1, 2, denen in diesem Fall antiparallele Freilaufdioden 1‘, 2‘ zugeordnet sind. Die Reihenschaltung 100 ist zwischen Knotenpunkten 10 angeordnet, über die der Schaltungsanordnung eine Spannung V0 zugeführt werden kann. Zwischen den Laststromventilen ist jeweils ein Knotenpunkt 11, 12 angeordnet. Ebenfalls zwischen den Knotenpunkten 10 ist eine Ausgleichsschaltung 200 angeordnet, die eine Reihenschaltung von Ausgleichselementen 21, 22 umfasst. Die Ausgleichselemente 21, 22 sind an Knotenpunkten zwischen ihnen mit entsprechenden Knotenpunkten 11, 12 zwischen den Laststromventilen 1, 2 verbunden, so dass jeweils ein Ausgleichselement einem Laststromventil parallel geschaltet ist. Die Ausgleichselemente 21, 22 sind als veränderbare Widerstandselemente ausgeführt, die jeweils über eine Ansteuerleitung 71, 72 derart angesteuert werden, dass sie einen gewünschten Widerstandswert annehmen. Vorzugsweise sind die Ausgleichselemente als Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, ausgeführt, die abhängig von einem Ansteuersignal auf der Ansteuerleitung zwischen einem nicht-leitendem Zustand und einem leitenden oder teilleitendem Zustand wechseln.
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Die Ansteuersignale werden von einer gemeinsamen Ansteuereinheit 300 erzeugt, die über die Ansteuerleitungen 71, 72 mit den Ausgleichselemente verbunden sind. Die Ansteuereinheit 300 kann eine prozessorgesteuerte Einheit sein, und beispielsweise einen FPGA (Floating Point Gate Array) aufweisen. Ziel der Ansteuereinheit 300 ist es, die über die Ausgleichselemente 21, 22 und damit über die Laststromventile 1, 2 abfallenden Spannungen U1, U2 auf einen gewünschten Wert einzustellen oder in einem gewünschten Bereich zu halten. Hierzu ist die Ansteuereinheit ebenfalls mit den Knotenpunkten 10, 11, 12 verbunden, so dass die Ansteuereinheit 300 dazu eingerichtet ist, die Ausgleichselemente 21, 22 abhängig von den an den Knotenpunkten 10, 11, 12 anliegenden Spannungen anzusteuern. Über entsprechend erzeugte Ansteuersignale wird kurzzeitig ein über eines der Ausgleichselemente 21, 22 fließender Strom erzeugt, wenn bzw. solange eine über das zugeordnete Laststromventil 1, 2 anliegende Spannung außerhalb, insbesondere oberhalb, eines gewünschten Bereiches oder eines gewünschten Wertes liegt. Die entsprechenden Ansteuersignale können pulsweitenmodulierte Signalpulse sein oder andere, insbesondere digitale Signalformen aufweisen.
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Um erforderliche Ausgleichsströme über die Ausgleichselemente und damit die entsprechenden Verluste zu minimieren, kann die Ansteuereinheit die Anzahl an gleichzeitig angesteuerten Ausgleichselemente begrenzen, insbesondere auf eine Anzahl von eins oder auf die Bedingung, dass benachbarte Ausgleichselemente nicht gleichzeitig angesprochen werden. Ebenfalls denkbar ist es, die Breite der gewünschten Spannungsbereiche zeitabhängig zu gestalten, zum Beispiel, indem nach Abschalten der Laststromventile zunächst ein Spannungsbereich mit einer ersten Breite für die Ansteuerung zugrunde gelegt wird. Nach Ablauf eines Zeitraumes, der in Abhängigkeit der Abbaurate von Ladungsträgern in den Laststromventilen gewählt ist, wird ein Spannungsbereich mit einer zweiten Breite für die Ansteuerung zugrunde gelegt, wobei die zweite Breite geringe als die erste Breite ist. Eine weitere Minimierungsstrategie für die Ausgleichsströme ist ein Begrenzen der potenziell ansteuerbaren Ausgleichselemente auf eine Teilmenge aller Ausgleichselemente 21, 22, wobei diese Teilmenge, ausgehend von einem Ausgleichselement, das direkt mit einem der Knotenpunkte 10 verbunden ist, sukzessive in Richtung des anderen Knotenpunktes 10 eingeengt wird. Anschließend kann eine analoge Begrenzungsstrategie in Gegenrichtung ausgeübt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt die Ansteuereinheit 300 ein Alarmsignal, wenn die zum Erreichen einer gewünschten Spannungsverteilung erforderlichen Ausgleichsströme oder der hierdurch integral erforderlichen Ausgleichsladung eines einzelnen Ausgleichselementes oder einer Teilmenge bzw. aller Ausgleichselemente einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Das Alarmsignal kann zu einem Abschalten der gesamten Schaltungsanordnung führen oder kann auch zu einer Änderung der Vorgaben für die Spannungsverteilung durch Neubestimmung der gewünschten Spannungsbereiche einzelner Laststromventile führen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Ansteuerschaltung 300 die Spannungswerte an den Knotenpunkten 10, 11, 12 oder die erzeugten Ansteuersignale derart auswerten, dass ein Rückkoppelsignal zur Übertragung an eine Steuerschaltung erzeugt wird, die dazu eingerichtet ist, Schaltzeitpunkte der Laststromventile relativ zueinander zu verschieben. Mit einem solchen Rückkoppelsignal können dann bei nachfolgenden Schaltvorgängen die Schaltvorgänge derart zueinander ausgerichtet werden, dass die notwendigen Ausgleichsströme und damit die Schaltverluste reduziert werden.
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2 zeigt ein zweites Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer Reihenschaltung 100 von Laststromventilen 1, 2, das sich von dem in 1 gezeigten Prinzipschaltbild dadurch unterscheidet, dass die gemeinsame Ansteuereinheit 300 durch einen Ausgleichssignalerzeuger 400 und eine Referenzspannungserzeuger 500 ersetzt ist. Der Referenzspannungserzeuger 500 erzeugt für jedes Ausgleichselement 21, 22 eine Referenzspannung, die an den Ausgleichssignalerzeuger 400 über Leitungen 91, 92 übertragen wird. Der Ausgleichssignalerzeuger 400 weist für jedes Ausgleichselement 21, 22 zugeordnete Treiber 81, 82 auf, die ein Ansteuersignal erzeugen, wenn eine aus der über dem Ausgleichselement 21, 22, bzw. über dem entsprechenden Laststromventil 1, 2 abfallenden Spannung erzeugte Vergleichsspannung je nach Art der Beschaltung des Treibers 81, 82 überschreitet bzw. unterschreitet. Die Vergleichsspannung kann beispielsweise durch einen resistiven Spannungsteiler 81‘, 82‘ erzeugt werden. Es sind aber auch andere Möglichkeiten wie beispielsweise eine zentrale Spannungsmessung und Ableitung der Vergleichsspannung vorstellbar. Das Ansteuersignal wird über die Ansteuerleitungen 71, 72 an die Ausgleichselemente 21, 22 zu deren Ansteuerung übertragen. Die Ausgleichselemente 21, 22 sind in der gezeigten Ausführungsform jeweils durch einen optionalen Vorwiderstand 51, 52 gegen Überströme geschützt.
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Auf die gezeigte Weise kann ein Laststromventil 1, 2 zu einem überspannungsgeschützten Laststromventil 601, 602 erweitert werden, indem parallel zum Laststromventil ein zugeordnetes Ausgleichselement 21, 22 geschaltet ist, welches über einen zugeordneten Treiber 81, 82 abhängig davon angesteuert wird, ob die über dem Laststromventil abfallende Spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet. Die Reihenschaltung von Laststromventilen zwischen den äußeren Knotenpunkten 10 kann vollständig oder nur teilweise aus solchen überspannungsgeschützten Laststromventilen 601, 602 bestehen. Alternativ kann, wie in 1 gezeigt, das Ausgleichselement 21, 22 des überspannnungsgeschützten Laststromventils 601, 602 auch direkt durch eine gemeinsame Ansteuerschaltung 300 angesteuert werden.
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Der Referenzspannungserzeuger 500 kann als Spannungsteiler ausgeführt sein, der eine Reihenschaltung Spannungsteiler-Widerständen 31, 32 und/oder eine Reihenschaltung Spannungsteiler-Kondensatoren 31‘, 32‘ aufweist. Auch eine vorbekannte RC-Snubberschaltung kann zur Erzeugung der Referenzspannungen für die Ausgleichselemente 21, 22 eingesetzt werden. Eine rechnerische Bildung des Wertes mittels einer Messung der Gesamtspannung über die Laststromventile 1, 2 ist ebenso möglich.
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Zusätzlich zur Ansteuerung über eine Ansteuerleitung 71, 72 kann ein Ausgleichsstrom über Ausgleichselemente 21, 22 auch dadurch ausgelöst werden, dass das Ausgleichselement eine Direktansteuerschaltung aufweist, im Englischen auch als active clamping bezeichnet. Die Direktansteuerung wird vorteilhafterweise in Verbindung mit einer prozessorgesteuerten Ansteuereinheit 300 eingesetzt und kann das Ausgleichselement 21, 22 nahezu verzögerungsfrei in einen leitenden oder teilleitenden Zustand versetzen, wenn besonders hohe Spannungen am Laststromventil erreicht werden.
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Beispiele einer Ausgleichsschaltung 200 mit Direktansteuerung sind in den 3 und 4 dargestellt. Die in 3 gezeigten Ausgleichsschaltung 200 und Ansteuereinheit 300 können beispielsweise zusammen mit der Reihenschaltung 100 der Laststromventile 1, 2 gemäß 1 eingesetzt werden. Bei dem Beispiel der 3 umfasst die in der Ansteuereinheit 300 umgesetzte Direktansteuerung jeweils eine Reihenschaltung eines Widerstandes 211 bzw. 221 und einer Zener-Diode 212 bzw. 222, mit der der Ansteuereingang des Ausgleichselements 21, 22 mit einem geeigneten Knotenpunkt 10, 11, 12 verbunden wird. Bei Überschreiten einer durch den Widerstand 211 bzw. 221 und die Durchbruchspannung der Zener-Diode 212 bzw. 222 einstellbaren Spannung wird das Ausgleichselement 21, 22 leitend geschaltet. In dieser Darstellung bilden die Widerstände 211, 221 und die Zener-Dioden 212, 222 der Direktansteuerung die Ansteuereinheit 300.
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Die in 4 gezeigte Ausgleichsschaltung 200 ersetzt beispielsweise die Ausgleichsschaltung 200 und ersetzt oder ergänzt den Ausgleichssignalerzeuger 400 bei dem Schaltbild der 2. Wiederum ist zur Direktansteuerung jeweils eine Reihenschaltung eines Widerstandes 211 bzw. 221 und einer Zener-Diode 212 bzw. 222 vorgesehen, die jedoch mit einem ersten Eingang eines Treibers 213 bzw. 223 verbunden ist und über diesen auf das Ausgleichselement 21, 22 wirkt. Ein zweiter Eingang des Treibers 213 bzw. 223 ist beispielsweise mit den Leitungen 91, 92 zur Bereitstellung der Referenzspannungen eines Referenzspannungserzeugers 500 verbunden. Die Direktansteuerung stellt somit eine zusätzliche Möglichkeit zur Ansteuerung des Ausgleichselements 21, 22 dar.
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Alternativ ist es denkbar, dass die Direktansteuerschaltung ein zusätzliches, dem über die Ansteuereinheit 300 angesteuerten Ausgleichselement 21, 22 parallel geschaltetes Ausgleichselement ansteuert.
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Zur direkten Ansteuerung eines Schaltelements sind verschiedene Ausführungsformen nach dem Stand der Technik bekannt, die bei einer Umsetzung einer anmeldungsgemäßen Direktansteuerung eingesetzt werden könnten. In den 3 und 4 sind nur zwei Varianten skizziert, die die prinzipielle Arbeitsweise verdeutlichen.
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5 zeigt in einem schematischen Schaltbild ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit zwei in Reihe geschalteten Laststromventilen 1 und 2. Beispielhaft sind als Laststromventile 1, 2 hier zwei IGBT-Transistoren verwendet. Die Reihenschaltung der beiden Schaltstrecken der Laststromventile 1, 2 verläuft zwischen zwei Knotenpunkten 10; der Mittelabgriff zwischen den beiden Laststromventilen 1, 2 wird als Knotenpunkt 11 bezeichnet. Beispielhaft wird das an einem der Knotenpunkte 10 anliegende Potenzial als Bezugspotenzial GND (Masse) angesehen. Demgegenüber liegt am anderen Knotenpunkt 10 eine Spannung V0 an. Ansteuerschaltungen für die beiden Laststromventile 1, 2 sind in dieser Schaltung nicht dargestellt.
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Die unter Umständen hohe Spannung V0 teilt sich in einzelne Spannungsabfälle V1 über der Schaltstrecke des Ausgleichselements 1 zwischen dem einen Kontenpunkten 10 und dem mittleren Knotenpunkt 11 und V2 über der Schaltstrecke des Laststromventils 2 dem mittleren Kontenpunkten 11 und dem anderen Knotenpunkt 10 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel soll insbesondere bei nicht geschalteten Laststromventilen 1, 2 eine Gleichverteilung der Spannung V0 auf die beiden Spannungsabfälle V1, V2 erfolgen, also V1 = V2 = 1/2 V0. gelten
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Parallel zu den Schaltstrecken der Laststromventile 1, 2, also zwischen den Knotenpunkten 10 und 11 einerseits und den Knotenpunkten 11 und 10 andererseits, ist jeweils ein ansteuerbares Ausgleichselement 21 bzw. 22 angeordnet. Weiterhin ist parallel zur Reihenschaltung der Laststromventile 1 und 2 eine Reihenschaltung aus Spannungsteiler-Widerständen 31 und 32 angeordnet, die jeweils gleichen Widerstandswert aufweisen. Zur Ansteuerung der ansteuerbaren Ausgleichselemente 21, 22 ist ein jeweiliger Steuereingang der Ausgleichselemente 21, 22 mit dem Ausgang eines Treibers 41 bzw. 42, ausgeführt als Operationsverstärker, verbunden. Die Eingänge der Treiber 41, 42 sind jeweils einerseits mit dem Knotenpunkt und andererseits mit dem Mittelabgriff zwischen den Spannungsteiler-Widerständen 31 und 32 verbunden.
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Da die Treiber 41, 42 einen hohen Eingangswidertand aufweisen, verändern sie das Potenzial an dem Mittelabgriff zwischen den Spannungsteiler-Widerständen 31, 32 auch dann in nur unbeachtlicher Art, wenn die Spanungsteiler-Widerstände 31, 32 einen hohen Widerstandswert, beispielsweise im Megaohm-Bereich aufweisen.
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Beim Betrieb der Schaltungsanordnung stellt sich am Knotenpunkt zwischen den Spannungsteiler-Widerständen 31, 32 ein Potenzial ein, das dem gewünschten Potenzial am Knotenpunkt 11 entspricht. Weicht dieses Potenzial am Knotenpunkt 11 von dem am Mittelabgriff zwischen den Spannungsteiler-Widerständen 31, 32 ab, wird – angesteuert durch die Treiber 41 bzw. 42 – entweder das Ausgleichselement 21 oder das Ausgleichselement 22 weiter geöffnet oder geschlossen, bis das Potenzial am Knotenpunkt 11 dem am Mittelabgriff des Spannungsteilers aus den Spannungsteiler-Widerständen 31 und 32 entspricht. Da das Potenzial am Knotenpunkt 11 beeinflussende Ströme durch die Ausgleichselemente 21, 22 nur dann fließen, wenn das Potenzial am Knotenpunkt 11 nicht den gewünschten Wert aufweist, wird die Potenzialeinstellung mit geringstmöglichem Stromfluss erzielt.
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6 in einem detaillierten Schaltbild eine Schaltungsanordnung mit zwei in Reihe geschalteten Laststromventilen 1, 2. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser wie in der folgenden Figur gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in 5.
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Bezüglich des grundsätzlichen Aufbaus und der Definition der Potenziale und wird auf das Ausführungsbeispiel zu 5 verwiesen. Wiederum sind zwei als IGBT ausgebildete Laststromventile zwischen zwei Knotenpunkten 10 und 12 in Reihe geschaltet. Jedem der Laststromventile 1, 2 ist eine Freilaufdiode 1‘, 2‘ parallel geschaltet, die einen Stromfluss durch die Reihenschaltung ermöglichen, wenn das Potenzial am Knotenpunkt 12 negativer ist als das am Knotenpunkt 10. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in Wechselrichterbrücken typisch.
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Den Schaltstrecken der Laststromventile 1, 2 ist wiederum ein ansteuerbares Ausgleichselement 21, 22 parallel geschaltet, wobei vorliegend Bipolar-Kleinsignaltransistoren als ansteuerbare Ausgleichselemente 21, 22 eingesetzt werden. Die Ausgleichselemente 21, 22 werden jeweils in einer Reihenschaltung mit einem strombegrenzendem Vorwiderstand 51, 52 sowie einer Schutzdiode 61, 62 verwendet. Die Schutzdiode verhindert das Anliegen einer zu hohen Sperrspannung an den Ausgleichselementen 21, 22
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In dem Ausführungsbeispiel der 6 erfolgt die Ansteuerung der Ausgleichselemente 21, 22 unmittelbar durch eine Spannungsteiler-Schaltung zwischen den Knotenpunkten 10. Die Spannungsteiler-Schaltung weist wiederum die Spannungsteiler-Widerstände 31 und 32 auf, sowie einen zwischengeschalteten Spannungsteiler-Widerstand 30, der einen kleineren Widerstandswert aufweist als die Spannungsteiler-Widerstände 31 und 32. Die Steuereingänge der Ausgleichselemente 21 und 22 sind jeweils auf einer Seite des Spannungsteiler-Widerstands 30 angeschlossen, so dass zwischen den Steuereingängen der Ausgleichselemente 21, 22 eine Vorspannung aufgebaut wird. Diese kompensiert zusammen mit den Dioden 61, 62 den bei Bipolar-Transistoren auftretenden Spannungsabfall zwischen dem Steuereingang (Basis) und dem mit dem Knotenpunkt 11 verbundenen Anschluss (Emitter) des Bipolar-Transistors.
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Von der Funktionsweise her entspricht die Schaltung der Funktion der 6 der der 5. Das Potenzial am Knotenpunkt 11 wird bei gleichen Widerstandswerten für die Spannungsteiler-Widerstände 31, 32 auf die Hälfte des Potenzials V0 gesetzt. Entsprechend fällt über den Schaltstrecken der Laststromventile 1, 2 eine jeweils gleiche Spannung V1 = V2 ab.
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Es wird darauf hingewiesen, dass durch Variation der Widerstandsverhältnisse der Spannungsteiler-Widerstände 31 und 32 das Potenzial am Knotenpunkt 11 beliebig eingestellt werden kann, wenn gewünscht ist, dass die Spannungen V1, V2 nicht gleich sind, sondern in einem anderen Verhältnis zueinander stehen. Dieser Fall tritt beispielsweise ein, wenn Laststromventile mit unterschiedlicher maximaler Spannungsbelastung in Reihe geschaltet werden. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass diese Schaltung ein Hystereseverhalten aufweist, verursacht durch den zusätzlichen Widerstand 30, und dass dieses Hystereseverhalten selbstverständlich auch in den anderen Schaltungsvorschlägen implementiert sein kann.
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7 zeigt schließlich in vergleichbarer Weise wie 5 eine Schaltungsanordnung mit drei in Reihe geschalteten Laststromventilen 1, 2, 3. Die insgesamt an der Reihenschaltung abfallende Spannung wird zwischen den Knotenpunkten 10 angelegt. Der Knotenpunkt 11 bezeichnet wiederum das Potenzial zwischen den Laststromventilen 1 und 2, der Knotenpunkt 12 bezeichnet hier das Potenzial zwischen den Laststromventilen 2 und 3. Wiederum sind den einzelnen Laststromventilen 1, 2, 3 Ausgleichselemente 21, 22, 23 parallel geschaltet, die über Treiber 41, 42, 43 angesteuert werden. Die Treiber sind mit einem Eingang jeweils an einem der Knotenpunkte 11 oder 12 angeschlossen und mit ihrem anderen Eingang an Abgriffen einer Spannungsteiler-Schaltung, die hier aus drei in Reihe geschalteten Spannungsteiler-Widerständen 31, 32, 33 besteht.
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Analog zu 5 stellen sich gleiche Spannungsabfälle V1 = V2 = V3 = 1/3 V0 dann ein, wenn die Spannungsteiler-Widerstände 31, 32, 33 gleichen Widerstandswert aufweisen. Auf die dargestellte Art kann die Schaltungsanordnung auf eine Reihenschaltung von einer beliebigen Anzahl von Laststromventilen erweitert werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung kann vorgesehen sein, die Ansteuerung der Ausgleichselemente 21, 22, 23 durch einen Mikrocontroller vorzunehmen. Zu diesem Zweck werden die über den Laststromventilen 1, 2, 3 abfallenden Spannungen V1, V2, V3 vom Mikrocontroller erfasst und die Ausgleichselemente 21, 22, 23 entsprechend angesteuert, um die Spannungen V1, V2, V3 auf gewünschte Werte zu bringen oder gewünschte Verhältnisse der Spannungen V1, V2, V3 untereinander zu erzielen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2, 3
- Laststromventil
- 1‘, 2‘
- Freilaufdiode
- 10, 11, 12, 13
- Knotenpunkt
- 21, 22, 23
- Ausgleichselement
- 30, 31, 32, 33
- Spannungsteiler-Widerstand
- 31‘, 32‘
- Spannungsteiler-Kondensator
- 41, 42, 43
- Treiber
- 51, 52
- Vorwiderstand
- 61, 62
- Schutzdiode
- 71, 72
- Ansteuerleitung
- 81, 82
- Treiber
- 81‘, 82‘
- Spannungsteiler
- 91, 92
- Leitung
- 100
- Reihenschaltung
- 200
- Ausgleichsschaltung
- 211, 221
- Widerstand
- 212, 222
- Zener-Diode
- 213, 223
- Treiber
- 300
- Ansteuerschaltung
- 400
- Ausgleichssignalerzeuger
- 500
- Referenzspannungserzeuger
- 601, 602
- überspannungsgeschütztes Laststromventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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