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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/011,139, eingereicht am 12. Juni 2014, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gateansteuerungs-Leistungsversorgung (GDPS) für einen Wechselrichter.
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HINTERGRUND
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Ein Wechselrichter invertiert eine Gleichspannungseingabe in eine Wechselspannungsausgabe. Hochleistungsschalter (d. h. Transistoren) des Wechselrichters werden ein- und ausgeschaltet, um die Gleichspannungseingabe in die Wechselspannungsausgabe zu invertieren. Die Schalter schalten in Reaktion auf Gateansteuersignale ein und aus. Die Gateansteuersignale weisen relativ genaue Strom- und Spannungswerte auf, damit die Schalter korrekt umschalten. Gatetreiber des Wechselrichters liefern die Gateansteuersignale zu den Schaltern. Die Gatetreiber erfordern eine genau regulierte Versorgungsleistung, um die erforderlichen Gateansteuersignale zu erzeugen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Gateansteuerungs-Leistungsversorgungssystem (GDPS) umfasst eine Spannungsverstärkungsstufe, die dazu konfiguriert ist, eine Eingangsspannung in eine Verstärkungsspannung zu verstärken, und eine Wechselrichterstufe, die dazu konfiguriert ist, die Verstärkungsspannung in eine Wechselspannung zu invertieren. Die GDPS umfasst ferner Gateansteuerungs-Spannungsversorgungsschaltungen, die mit der Wechselrichterstufe Transformator-gekoppelt sind, um eine Wechselspannungsausgabe auf der Basis der Wechselspannung zu empfangen, und dazu konfiguriert sind, die Wechselspannungsausgabe in Versorgungsgleichspannungen für Gatetreiber umzusetzen.
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Das GDPS-System kann ferner eine zusätzliche Spannungsversorgungsschaltung umfassen, die mit der Wechselrichterstufe Transformator-gekoppelt ist, um eine andere Wechselspannungsausgabe auf der Basis der Wechselspannung zu empfangen, und dazu konfiguriert ist, die andere Wechselspannungsausgabe in eine Versorgungsgleichspannung für eine andere Last als einen Gatetreiber umzusetzen.
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Das GDPS-System kann ferner eine Gatetreiber-Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, den Betrieb der Wechselrichterstufe beim Invertieren der Verstärkungsspannung in die Wechselspannung zu steuern, und eine Gatetreiber-Steuereinheits-Spannungsversorgungsschaltung, die mit der Wechselrichterstufe Transformator-gekoppelt ist, um eine andere Wechselspannungsausgabe auf der Basis der Wechselspannung zu empfangen, und dazu konfiguriert ist, die andere Wechselspannungsausgabe in eine Versorgungsgleichspannung für die Gatetreiber-Steuereinheit umzusetzen, umfassen.
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Das GDPS-System kann ferner eine Kickstarterschaltung umfassen, die dazu konfiguriert ist, die Gatetreiber-Steuereinheit mit Energie zu versorgen, während die Versorgungsgleichspannung von der Gatetreiber-Steuereinheits-Spannungsversorgungsschaltung zum Speisen der Gatetreiber-Steuereinheit unzureichend ist. Die Kickstarterschaltung kann durch die Verstärkungsspannung gespeist werden.
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Das GDPS-System kann ferner eine Spannungsverstärkungs-Steuereinheit umfassen, die dazu konfiguriert ist, den Betrieb der Spannungsverstärkungsstufe beim Verstärken der Eingangsspannung in die Verstärkungsspannung zu steuern. Die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit kann durch die Verstärkungsspannung gespeist werden.
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Ein nicht beanspruchtes GDPS-Verfahren umfasst das Verstärken einer Eingangsspannung in eine Verstärkungsspannung und das Invertieren der Verstärkungsspannung in eine Wechselspannung durch eine Halbbrücken-Wechselrichterstufe. Das Verfahren umfasst ferner das Empfangen einer Wechselspannungsausgabe auf der Basis der Wechselspannung durch Gateansteuerungs-Spannungsversorgungsschaltungen, die mit der Wechselrichterstufe Transformator-gekoppelt sind, und das Umsetzen der Wechselspannungsausgabe in Versorgungsgleichspannungen für Gatetreiber durch die Gateansteuerungs-Spannungsversorgungsschaltungen.
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Das nicht beanspruchte Verfahren kann ferner das Empfangen einer anderen Wechselspannungsausgabe auf der Basis der Wechselspannung durch eine zusätzliche Spannungsversorgungsschaltung, die mit der Wechselrichterstufe Transformator-gekoppelt ist, und das Umsetzen der anderen Wechselspannungsausgabe in eine Versorgungsgleichspannung für eine andere Last als einen Gatetreiber durch die zusätzliche Spannungsversorgungsschaltung umfassen.
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Das nicht beanspruchte Verfahren kann ferner das Steuern des Betriebs der Wechselrichterstufe beim Invertieren der Verstärkungsspannung in die Wechselspannung durch eine Gatetreiber-Steuereinheit, das Empfangen einer anderen Wechselspannungsausgabe auf der Basis der Wechselspannung durch eine Gatetreiber-Steuereinheits-Spannungsversorgungsschaltung, die mit der Wechselrichterstufe Transformator-gekoppelt ist, und das Umsetzen der anderen Wechselspannungsausgabe in eine Versorgungsgleichspannung für die Gatetreiber-Steuereinheit durch die Gatetreiber-Steuereinheits-Spannungsversorgungsschaltung umfassen.
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Das nicht beanspruchte Verfahren kann ferner das Versorgen der Gatetreiber-Steuereinheit mit Energie durch eine Kickstarterschaltung, die durch die Verstärkungsspannung gespeist wird, während die Versorgungsgleichspannung von der Gatetreiber-Steuereinheits-Spannungsversorgungsschaltung für das Speisen der Gatetreiber-Steuereinheit unzureichend ist, umfassen.
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Das nicht beanspruchte Verfahren kann ferner das Steuern des Betriebs der Spannungsverstärkungsstufe beim Verstärken der Eingangsspannung in die Verstärkungsspannung durch eine Spannungsverstärkungs-Steuereinheit, die durch die Verstärkungsspannung gespeist wird, umfassen.
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Ein System umfasst einen Wechselrichter mit Gatetreibern und eine GDPS. Diese GDPS umfasst eine Spannungsverstärkungsstufe, die dazu konfiguriert ist, eine Eingangsgleichspannung von einer Hilfsbatterie in eine Verstärkungsgleichspannung zu verstärken, und eine Halbbrücken-Wechselrichterstufe, die dazu konfiguriert ist, die Verstärkungsgleichspannung in eine Wechselspannung zu invertieren. Diese GDPS umfasst ferner Gateansteuerungs-Spannungsversorgungsschaltungen, die mit der Wechselrichterstufe Transformator-gekoppelt sind, um eine Wechselspannungsausgabe auf der Basis der Wechselspannung zu empfangen, und dazu konfiguriert sind, die Wechselspannungsausgabe in Versorgungsgleichspannungen für die Gatetreiber umzusetzen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt ein Blockdiagramm eines Elektrofahrzeug-Antriebsstrangs mit einer Gateansteuerungs-Leistungsversorgung (GDPS) dar;
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2 stellt ein schematisches Diagramm der GDPS dar;
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3 stellt ein schematisches Diagramm einer Gateansteuerungs-Spannungsversorgungsschaltung der GDPS dar;
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4 stellt ein Zeitablaufdiagramm der Startsequenz der GDPS dar; und
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5 stellt ein sehr detailliertes Diagramm einer Kickstarterschaltung der GDPS dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier offenbart; selbstverständlich sind jedoch die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert sein kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von speziellen Komponenten zu zeigen. Daher sollen hier offenbarte spezifische Struktur- und Funktionsdetails nicht als Begrenzung, sondern lediglich als repräsentative Basis zum Lehren eines Fachmanns auf dem Gebiet, die vorliegende Erfindung verschiedenartig einzusetzen, interpretiert werden.
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Mit Bezug auf 1 ist nun ein Blockdiagramm eines Elektrofahrzeug-Antriebsstrangs 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Antriebsstrang 10 ist beispielsweise der Antriebsstrang eines Hybrid- oder Einsteck-Hybrid-Elektrofahrzeugs, in welchem Fall der Antriebsstrang ferner eine Kraftmaschine umfasst. Als anderes Beispiel ist der Antriebsstrang 10 der Antriebsstrang eines Batterie-Elektrofahrzeugs, in welchem Fall dem Antriebsstrang eine Kraftmaschine fehlt.
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Der Antriebsstrang 10 umfasst eine Hochspannungs-Traktionsbatterie 12, einen Traktionswechselrichter 14 und einen elektrischen Traktionsmotor 16. Der Wechselrichter 14 invertiert elektrische Gleichspannungsenergie von der Batterie 12 in elektrische Wechselspannungsenergie für den Motor 16. Der Motor 16 verbraucht die Wechselspannungsenergie, um ein Drehmoment für die Fahrzeugantriebsräder (nicht dargestellt) zu erzeugen, um das Fahrzeug anzutreiben. Die Wechselspannungsenergie ist beispielsweise ein frequenzgesteuertes, Dreiphasen-Wechselspannungssignal.
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Als Beispiel ist der Wechselrichter 14 ein Dreiphasen-Wechselrichter unter Verwendung von Halbleiterschaltern (d. h. Transistoren) 20 zum Invertieren der Gleichspannungseingabe in die Wechselspannungsausgabe. Die Schalter 20 können Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) sein. Für leistungsärmere Anwendungen können die Schalter 20 MOSFETs sein. Die Schalter 20 werden ein- und ausgeschaltet, damit der Wechselrichter 14 die Gleichspannungseingabe in die Wechselspannungsausgabe invertiert.
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Der Wechselrichter 14 ist aus einer parallelen Schaltung mit einem Paar von Schaltern 20 in Reihe (Phase A), einem zweiten Paar von Schaltern 20 in Reihe (Phase B) und einem dritten Paar von Schaltern 20 in Reihe (Phase C) gebildet. An sich umfasst der Wechselrichter 14 sechs Schalter 20. Der Wechselrichter 14 erzeugt die Dreiphasen-Wechselspannungsausgabe aus drei Strömen, die aus Verbindungspunkten der jeweiligen Paare von Schaltern ausgegeben werden, wie in 1 gezeigt. In dieser Weise invertiert der Wechselrichter 14 die Gleichspannungsenergie von der Batterie 12 in die Dreiphasen-Wechselspannungsenergie für den Motor 16.
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Der Wechselrichter 14 umfasst ferner mehrere Gatetreiber (GDs) 22. Die Gatetreiber 22 sind den Schaltern 20 zugeordnet. Wie in 1 gezeigt, sind die Gatetreiber 22 und Schalter 20 beispielsweise miteinander gepaart. In diesem Fall umfasst der Wechselrichter 14 sechs Gatetreiber 22, wie in 1 gezeigt. In anderen Fällen ist ein Gatetreiber 22 mehr als einem Schalter 20 zugeordnet.
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Die Schalter 20 schalten in Reaktion auf Gateansteuersignale ein und aus. Die Gatetreiber 22 liefern die Gateansteuersignale zu den Schaltern 20, insbesondere zu den Gates der Schalter. Die Gateansteuersignale müssen relativ genaue Strom- und Spannungswerte aufweisen, damit die Schalter 20 korrekt umschalten. Die Gatetreiber 22 erfordern eine genau regulierte Versorgungsleistung, um die erforderlichen Gateansteuersignale zu erzeugen.
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An sich erfordert der korrekte Betrieb des Wechselrichters 14, dass eine gut regulierte Versorgungsgleichspannung zu den Gatetreibern 22 geliefert wird, damit die Gatetreiber die erforderlichen Gateansteuersignale zu den Schaltern 20 liefern. Die zu den Gatetreibern 22 gelieferte Versorgungsgleichspannung muss Spannungsamplituden innerhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts eines nominalen Werts aufweisen. Die nominale Versorgungsspannung für die Gatetreiber 22 ist beispielsweise etwa 25,0 V und der Wechselrichter 14 kann abschalten, wenn diese Versorgungsspannung unter 23,0 V fällt. Ein solches Abschalten ist erforderlich, da die Gatetreiber 22 keine Gateansteuersignale des erforderlichen Typs erzeugen können und die Reaktion der Schalter 20, auf die Gatetreibersignale, die außerhalb eine zulässige Toleranz fallen, unberechenbar sein kann.
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Der Antriebsstrang 10 umfasst ferner eine Gateansteuerungs-Leistungsversorgung (GDPS) 24. Die GDPS 24 ist dazu konfiguriert, die gut regulierte Versorgungsgleichspannung zu den Gatetreibern 22 zu liefern. Die GDPS 24 erzeugt die Versorgungsgleichspannung für die Gatetreiber 22 unter Verwendung von elektrischer Energie von einer Gleichspannungshilfsbatterie 26 mit niedriger Spannung (z. B. 12 V). Die durch die GDPS 24 für die Gatetreiber 22 erzeugte Versorgungsgleichspannung ist unabhängig von der Eingangsgleichspannungsleistung in den Wechselrichter 14, die der Wechselrichter in Wechselspannungsleistung für den Motor 16 invertiert.
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Die durch die GDPS 24 gelieferte Versorgungsgleichspannung umfasst mehrere Gateansteuerungs-Gleichspannungssignale für jeweilige der Gatetreiber 22. Die GDPS 24 erzeugt beispielsweise eine erste Gateansteuerungs-Gleichspannung für einen ersten der Gatetreiber 22, eine zweite Gateansteuerungs-Gleichspannung für einen zweiten der Gatetreiber 22 usw. An sich erzeugt in der Anordnung des Wechselrichters 14, wie in 1 gezeigt, die GDPS 24 sechs Gateansteuerungs-Gleichspannungssignale für die sechs Gatetreiber 22 des Wechselrichters 14.
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In dieser Ausführungsform weisen die Gateansteuerungs-Gleichspannungssignale, die durch die GDPS 24 erzeugt werden, dieselben Spannungscharakteristiken auf. Jedes Gateansteuerungs-Gleichspannungssignal ist beispielsweise ein Spannungssignal von etwa 24,5 V, das in ein Potential von +15,5 V und ein Potential von –9,0 V aufgeteilt wird. An sich ist die GDPS 24 in diesem Fall dazu konfiguriert, sechs isolierte Leistungsversorgungen von 23 V bis 25 V zu erzeugen, die jeweils in ein Potential von +15,5 V und ein Potential von –9,0 V aufgeteilt werden. Die GDPS 24 kann natürlich Gateansteuerungs-Gleichspannungssignale mit anderen Spannungscharakteristiken wie z. B. verschiedenen Spannungswerten und verschiedenen Potentialen erzeugen.
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In einer beispielhaften Anordnung umfasst der Wechselrichter 14 zwei Sätze von Schaltern 20 und Gatetreiber 22, die parallel angeordnet sind. Das parallele Anordnen von zwei oder mehr Sätzen ist dazu ausgelegt, die Ausgangsstufen parallel zu setzen, um dadurch einen höheren Leistungsdurchsatz zu erreichen. In 1 ist ein Satz von sechs Schaltern 20, die jeweils einem jeweiligen Gatetreiber 22 zugeordnet sind, gezeigt. Die beispielhafte Anordnung umfasst daher zwölf Schalter 20 und zwölf Gatetreiber 22. Die GDPS 24 ist dazu konfiguriert, zwölf Gateansteuerungs-Gleichspannungssignale für diese zwölf Gatetreiber 22 unter Verwendung von elektrischer Energie von der Hilfsbatterie 26 zu erzeugen. An sich ist die GDPS 24 dazu konfiguriert, zwölf isolierte Leistungsversorgungen von 23 V bis 25 V zu erzeugen, die jeweils in ein Potential von +15,5 V und ein Potential von –9,0 V aufgeteilt werden.
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Wie hier beschrieben, ist die GDPS 24 ferner dazu konfiguriert, zusätzliche Gleichspannungssignale unter Verwendung der elektrischen Energie von der Hilfsbatterie 26 zu erzeugen. Die GDPS 24 ist beispielsweise dazu konfiguriert, drei weitere isolierte Leistungsversorgungen von 15 V zu erzeugen. Die GDPS 24 ist beispielsweise dazu konfiguriert, ein erstes Gleichspannungssignal von 15 V für einen Drehmelder (nicht dargestellt), der dem Motor 16 zugeordnet ist, ein zweites Gleichspannungssignal von 15 V für einen ersten Isolationsmonitor (nicht dargestellt), der einer ersten Ebene des Wechselrichters 14 zugeordnet ist, und ein drittes Gleichspannungssignal von 15 V für einen zweiten Isolationsmonitor (nicht dargestellt), der einer zweiten Ebene des Wechselrichters 14 zugeordnet ist, zu erzeugen.
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Der Antriebsstrang 10 umfasst ferner eine Steuereinheit 18. Die Steuereinheit 18 ist dazu konfiguriert, unter anderen Funktionen den Wechselrichter 14 zu steuern, um die Gleichspannungs-Wechselspannungs-Umsetzung zu steuern, die durch den Wechselrichter durchgeführt wird. In dieser Hinsicht ist die Steuereinheit 18 dazu konfiguriert, das Umschalten der Schalter 20 gemäß einem vorbestimmten Plan zu steuern, um zu bewirken, dass die Gleichspannungseingabe in die Wechselspannungsausgabe invertiert wird.
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Mit Bezug auf 2 ist ein schematisches Diagramm der GDPS 24 gezeigt. Wiederum erzeugt die GDPS 24 die Gateansteuerungs-Gleichspannungssignale und die zusätzlichen Gleichspannungssignale unter Verwendung von elektrischer Energie von der Hilfsbatterie 26. Die GDPS 24 umfasst einen zweistufigen Umsetzer, um die Gleichspannungssignale zu erzeugen. Eine erste Stufe des Umsetzers ist eine Spannungsverstärkungsstufe 28 und eine zweite Stufe des Umsetzers ist eine Wechselrichterstufe 30. Die Spannungsverstärkungsstufe 28 verstärkt die variable, relativ niedrige Gleichspannung (z. B. 12 V) von der Hilfsbatterie 26 in eine regulierte, wesentlich höhere Verstärkungsgleichspannung (VBoost) (z. B. 45 V). Die Wechselrichterstufe 30 invertiert die Verstärkungsgleichspannung 32 in eine Wechselspannung 34.
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Die GDPS 24 umfasst ferner mehrere Spannungsversorgungsschaltungen 36. Als Beispiel umfassen die Spannungsversorgungsschaltungen 36 mehrere Gateansteuerungs-Spannungsversorgungsschaltungen 36a, 36b und 36n und eine Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x. Die Gateansteuerungs-Spannungsversorgungsschaltungen 36a, 36b und 36n sind jeweils den Gatetreibern 22 zugeordnet und sollen Gateansteuerungs-Gleichspannungssignale zu ihren entsprechenden Gatetreibern 22 liefern. Die Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x ist einem Drehmelder des Motors 16 zugeordnet und soll ein Gleichspannungssignal für den Drehmelder liefern.
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Die Wechselspannung 34 ist individuell mit jeder der Spannungsversorgungsschaltungen 36 Transformatorgekoppelt. Insbesondere ist für jede Spannungsversorgungsschaltung 36 eine Primärwicklung 40 eines Transformators 42 zwischen die zwei Zweige der Wechselrichterstufe 30 gekoppelt. Eine Sekundärwicklung 44 des Transformators 42 liefert die Wechselspannungsausgabe aus der Sekundärwicklung 44 zur Spannungsversorgungsschaltung 36. Die Spannungsversorgungsschaltung 36 richtet diese Wechselspannungsausgabe gleich, um daraus eine Versorgungsgleichspannung zu erzeugen. Die Gateansteuerungs-Spannungsversorgungsschaltung 36a richtet beispielsweise die Wechselspannungsausgabe gleich, um daraus ein Gateansteuerungs-Gleichspannungssignal für den entsprechenden Gatetreiber 22 zu erzeugen; die Gateansteuerungs-Spannungsversorgungsschaltung 36b richtet die Wechselspannungsausgabe gleich, um daraus ein Gateansteuerungs-Gleichspannungssignal für den entsprechenden Gatetreiber 22 zu erzeugen; usw. Wiederum ist als Beispiel jedes Gateansteuerungs-Gleichspannungssignal ein Gleichspannungssignal von etwa 25,0 V, das in ein Potential von +15,5 V und ein Potential von –9,0 V aufgeteilt wird. Ein schematisches Diagramm von einer der Gateansteuerungs-Spannungsversorgungsschaltungen 36 ist in 3 gezeigt.
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Ebenso richtet die Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x die Wechselspannungsausgabe gleich, um daraus die Versorgungsgleichspannung für den Drehmelder zu erzeugen. Wiederum ist als Beispiel die Versorgungsgleichspannung, die durch die Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x erzeugt wird, ein Gleichspannungssignal von 15 V.
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Die Konfiguration und der Betrieb der GDPS 24 zum Erzeugen der mehreren Spannungsversorgungen (d. h. der Gateansteuerungs- und zusätzlichen Spannungssignale) unter Verwendung von elektrischer Energie von der Hilfsbatterie 26 werden in Verbindung mit 4 beschrieben. 4 stellt ein Zeitablaufdiagramm 50 der Startsequenz und des stationären Betriebs der GDPS 24 dar.
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Wie in 2 gezeigt, umfasst die Spannungsverstärkungsstufe 28 der GDPS 24 einen Schalter 38 in Form eines Transistors zum Ausführen der Spannungsverstärkungsfunktion. Die Wechselrichterstufe 30 der GDPS 24 ist ein Halbbrückenwechselrichter mit einem Paar von Schaltern 40a und 40b in Form von Transistoren zum Ausführen der Wechselrichterfunktion. Die GDPS 24 umfasst ferner eine integrierte Spannungsverstärkungs-Steuereinheitsschaltung (IC) 42, eine integrierte Gatetreiberschaltung (GDIC) 44 und eine Kickstarterschaltung 46. Die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42, die GDIC 44 und die Kickstarterschaltung 46 sind Steuereinheiten (z. B. Mikrocontroller) (”Steuereinheiten”). Irgendeine oder alle der Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42, der GDIC 44 und der Kickstarterschaltung 46 können ein Teil derselben Steuereinheit sein. Wie nachstehend genauer erläutert, sind in dieser beispielhaften Ausführungsform die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 und die GDIC 44 impulsbreitenmodulierte (PWM) Steuereinheiten.
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Die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 ist dazu konfiguriert, das Umschalten des Schalters 38 der Spannungsverstärkungsstufe 28 zu steuern, um dadurch die Verstärkung der Gleichspannung von der Hilfsbatterie 26 in die Verstärkungsgleichspannung 32 zu steuern. die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 steuert das Umschalten des Schalters 38 unter Verwendung eines impulsbreitenmodulierten (PWM) Steuersignals. Die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 erfasst den Spannungswert der Verstärkungsgleichspannung 32, die aus der Spannungsverstärkungsstufe 28 ausgegeben wird, als Rückkopplungsinformationen zum Steuern des Umschaltens des Schalters 38. Die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 wird durch die Verstärkungsgleichspannung 32 gespeist.
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Die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 steuert die Spannungsverstärkungsstufe 28, um die Gleichspannung von der Hilfsbatterie 26 in die Verstärkungsgleichspannung 32 zu verstärken, während die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit aktiviert ist. Die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 wird aktiviert, während ein in 4 gezeigtes Main_GD_EN-Steuersignal 52, das zur Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 geliefert wird, hoch ist. Die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 beginnt ihre Steuerverstärkungsoperation der Spannungsverstärkungsstufe 28, wenn das Main_GD_EN-Steuersignal 52 von niedrig auf hoch schaltet. Die Spannung der Verstärkungsgleichspannung 32 ist in 4 als VBOOST-Signal 54 angegeben. Wie durch den Abschnitt 56 des VBOOST-Signals 54 angegeben, ist der Wert der Verstärkungsgleichspannung 32 auf einem niedrigen Wert (z. B. demselben Wert wie die Spannung der Hilfsbatterie 26), bevor die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 eingeschaltet wird, um die Verstärkungsoperation der Spannungsverstärkungsstufe 28 zu steuern. Wenn die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 arbeitet, um die Spannung von der Hilfsbatterie 26 in die Verstärkungsgleichspannung 32 zu verstärken, steigt der Wert der Verstärkungsgleichspannung 32 an, wie durch den Abschnitt 58 des VBOOST-Signals 54 angegeben. Der Wert der Verstärkungsgleichspannung 32 steigt schließlich auf einen hohen Zielwert (z. B. 45 V) an und bleibt auf diesem hohen Wert während des Betriebs der Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42, wie durch den Abschnitt 60 des VBOOST-Signals 54 angegeben.
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Die GDIC 44 steuert das Umschalten der Schalter 40a und 40b der Wechselrichterstufe 30, um dadurch das Invertieren der Verstärkungsgleichspannung 32 in die Wechselspannung 34 zu steuern. Die GDIC 44 steuert das Umschalten des Schalters 40a unter Verwendung eines PWM-Steuersignals (d. h. GDPS_PWM_LOG_H-Steuersignals 62a, das in 4 gezeigt ist) und steuert das Umschalten des Schalters 40b unter Verwendung eines komplementären PWM-Steuersignals (d. h. GDPS_PWM_LOG_L-Steuersignals 62b, das in 4 gezeigt ist).
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Die GDIC 44 muss mit mindestens einem minimalen Betrag an Energie versorgt werden, um das Umschalten der Schalter 40a und 40b korrekt steuern zu können. Der Betrag an Energie, der zur GDIC 44 zugeführt wird, ist durch das U202_VDD-Signal 64, das in 4 gezeigt ist, angegeben. Wie aus einem Vergleich zwischen dem U202_VDD-Signal 64 und den PWM-Steuersignalen 62a und 62b zu sehen ist, beginnt die GDIC 44 nicht, die PWM-Steuersignale 62a und 62b zu erzeugen, bis die zur GDIC 44 zugeführte Energie einen ausreichenden Betrag erreicht, der durch den Abschnitt 66 des U202_VDD-Signals 64 angegeben ist. Solbad dieser Betrag an Versorgungsenergie für die GDIC 44 erhalten und aufrechterhalten wird, erzeugt die GDIC 44 PWM-Steuersignale 62a und 62b mit Erhöhen der Tastverhältnisse über die Zeit, bis ein Tastverhältnis von 50% erhalten wird, wie in 4 gezeigt. Die GDIC 44 fährt mit der Erzeugung der komplementären PWM-Steuerzyklen mit dem Tastverhältnis von 50% fort, solange die GDIC 44 mit dem ausreichenden Betrag an Energie während des Systembetriebs versorgt wird. Die Wechselrichterstufe 30 invertiert korrekt und effizient die Verstärkungsgleichspannung 32 in die gewünschte Wechselspannung 34 in Reaktion darauf, dass die Schalter 40a und 40b komplementäre PWM-Steuersignale 62a und 62b mit dem Tastverhältnis von 50% empfangen.
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Wie vorstehend angegeben, erzeugen die Spannungsversorgungsschaltungen 36 Gleichspannungssignale aus der Wechselspannung 34. Das Gleichspannungssignal, das durch jede der Spannungsversorgungsschaltungen 36 erzeugt wird, ist in 4 als verallgemeinertes GDPS-Ausgangssignal 68 dargestellt. Wie durch einen Vergleich des GDPS-Ausgangssignals 68 und der PWM-Steuersignale 62a und 62b gezeigt, steigen die Gleichspannungssignale, die durch die Spannungsversorgungsschaltungen 36 erzeugt werden, an, wenn das Tastverhältnis der PWM-Steuersignale 62a und 62b ansteigt. Die erzeugten Gleichspannungssignale steigen auf ihre gewünschten Werte an und halten diese aufrecht, während die PWM-Steuersignale 62a und 62b das Tastverhältnis von 50% aufweisen, wie durch den Abschnitt 70 der GDPS-Ausgabe 68 angegeben.
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Das Gateansteuerungs-Gleichspannungssignal, das durch die Spannungsversorgungsschaltung 36a erzeugt wird, ist beispielsweise das erforderliche Gleichspannungssignal von 25,0 V, während die komplementären PWM-Steuersignale 62a und 62b, die zu den Schaltern 40a und 40b der Wechselrichterstufe 30 geliefert werden, das Tastverhältnis von 50% aufweisen. Das Gateansteuerungs-Gleichspannungssignal, das auf der erforderlichen Spannung liegt, ist durch den Abschnitt 70 der GDPS-Ausgabe 68 angegeben. Ebenso ist das Gleichspannungssignal, das durch die Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x erzeugt wird, niedriger als die gewünschte Versorgungsgleichspannung von 15 V, bis die komplementären PWM-Steuersignale 62a und 62b das Tastverhältnis von 50% aufweisen. Das Gleichspannungssignal, das geringer ist als seine gewünschte Spannung von 15 V, ist durch den Abschnitt 72 der GDPS-Ausgabe 68 angegeben. Sobald der stationäre Betrieb der Wechselrichterstufe 30 erreicht ist, erzeugt die Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x die Versorgungsgleichspannung von 15 V, die durch den Abschnitt 70 der GDPS-Ausgabe 68 angegeben ist.
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Wie beschrieben, muss die GDIC 44 mit einem korrekten Betrag an Energie (durch den Abschnitt 66 des U202_VDD-Signals 64 angegeben) versorgt werden, um bei der Steuerung der Wechselrichterstufe 30 zu arbeiten. Die GDPS 24 ist dazu konfiguriert sicherzustellen, dass die GDIC 44 mit dem korrekten Betrag an Energie versorgt wird. In dieser Hinsicht empfängt die GDIC 44 eine Versorgungsspannung von einer der Spannungsversorgungsschaltungen 36 zum Speisen der GDIC. Die GDIC 44 erfordert beispielsweise eine Versorgungsgleichspannung von 12 V. In einer Variation empfängt die GDIC 44 eine Versorgungsspannung von der Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x zum Speisen der GDIC. Wie vorstehend angegeben, ist die Versorgungsspannung von der Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 46x eine Gleichspannung von 15 V. In diesem Fall wird die GDIC 44 durch eine Drehmelder-Leistungsversorgung gespeist, die die Leistung ausreichend bereitstellen kann, die für die GDIC 44 während des stationären Betriebs der Wechselrichterstufe 30 erforderlich ist. Wie beschrieben, ist während des stationären Betriebs der Wechselrichterstufe 30 die Spannung des Spannungssignals, das durch die Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x erzeugt wird, mindestens 12 V Gleichspannung. Wie weiter beschrieben, wird der stationäre Betrieb der Wechselrichterstufe 30 erreicht, sobald die Spannungsverstärkungsstufe 28 genügend Zeit hat, um die Verstärkungsgleichspannung 32 (z. B. 45 V) aus der Gleichspannung (z. B. 12 V) der Hilfsbatterie 26 vollständig zu erzeugen (d. h. während des Abschnitts 60 des VBOOST-Signals 54), und die Wechselrichterstufe 30 kann die Wechselspannung 34 aus der vollständig erzeugten Verstärkungsgleichspannung 32 erzeugen (d. h. während des Abschnitts 70 der GDPS-Ausgabe 68).
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Anders ausgedrückt, beim Start existiert eine vorübergehende Zeitdauer, bis der stationäre Zustand erreicht ist. Während des stationären Zustandes ist die Versorgungsspannung von der Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x eine Gleichspannung von 15 V. während der vorübergehenden Zeitdauer (oder Startperiode) ist jedoch die Versorgungsspannung von der Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x noch nicht die Gleichspannung von 15 V (d. h. während des Abschnitts 72 der GDPS-Ausgabe 68). An sich ist während der Startperiode die Versorgungsspannung von der Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x nicht ausreichend, um die GDIC 44 zu speisen.
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Die Kickstarterschaltung 46 löst dieses Problem durch Zuführen der erforderlichen Versorgungsgleichspannung (d. h. des Gleichspannungssignals von 12 V) zur GDIC 44 während der Startperiode. Die Kickstarterschaltung 46 wird durch die Verstärkungsgleichspannung 32 zum Erzeugen der Versorgungsgleichspannung für die GDIC 44 während der Startperiode gespeist. Die Kickstarterschaltung 46 liefert die Versorgungsgleichspannung zur GDIC 44, während ein GD_PS_EN-Steuersignal 74, das zur Kickstarterschaltung 46 geliefert wird, hoch gesetzt wird. Das Steuersignal 74 wird hoch gesetzt, wie durch den Abschnitt 76 des Steuersignals 74 angegeben, während die Versorgungsspannung von der Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x geringer ist als die erforderliche Gleichspannung von 12 V (d. h. während des Abschnitts 72 der GDPS-Ausgabe 68).
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An sich liefert die Kickstarterschaltung 46 die Versorgungsspannung zur GDIC 44, während die Versorgungsspannung von der Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x geringer ist als die Spannung, die für die GDIC erforderlich ist. Während einer vorübergehenden Zeitdauer, wenn die Kickstarterschaltung 46 aktiviert wird, steigt die Versorgungsspannung für die GDIC 44 an, wie durch den Abschnitt 78 des U202_VDD-Signals 64 angegeben. Nach dieser vorübergehenden Zeitdauer liefert die Kickstarterschaltung 46 die erforderliche Gleichspannung von 12 V zur GDIC 44, wie durch den Abschnitt 66 des U202_VDD-Signals angegeben.
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Das Kickstarterschaltungs-Steuersignal 74 wird niedrig gesetzt, wie durch den Abschnitt 80 des Steuersignals 74 angegeben, während die Versorgungsspannung von der Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x zum Versorgen der GDIC 44 unzureichend ist (d. h. während des Abschnitts 70 der GDPS-Ausgabe 68). Die Kickstarterschaltung 46 liefert keine Versorgungsspannung zur GDIC 44 während dieser Zeit, während das Steuersignal 74 niedrig gesetzt ist. Die Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x liefert stattdessen die Versorgungsspannung zur GDIC 44, wenn sich die Spannungsausgabe der Drehmelder-Spannungsversorgungsschaltung 36x auf ihrem vollen Wert befindet, wie durch den Abschnitt 70 der GDPS-Ausgabe 68 angegeben.
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Wie beschrieben, steuert die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 die Spannungsverstärkungsstufe 28, um die Gleichspannung von der Hilfsbatterie 26 in die Verstärkungsgleichspannung 32 zu verstärken, aus der die Gateansteuerungs- und zusätzlichen Versorgungsspannungen erzeugt werden. Die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 steuert das Umschalten des Schalters 38 unter Verwendung eines PWM-Steuersignals für die Spannungsverstärkungsstufe 28, um die Verstärkungsgleichspannung 32 zu erzeugen. Zu bestimmten Zeiten kann die Gleichspannung von der Hilfsbatterie 26 von ihrem normalen Pegel (z. B. 12 V) auf einen niedrigeren Pegel (z. B. 8 V) infolge dessen abfallen, dass die Batterie 26 entladen wird.
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Die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 behandelt solche Bedingungen durch Überwachen des Werts der Spannung der Verstärkungsgleichspannung 32. Während die Verstärkungsgleichspannung 32 niedrig ist, wie z. B. ein Ergebnis dessen, dass die Eingangsspannung von der Hilfsbatterie 26 niedrig ist, führt die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 42 geeignete Anpassungen durch, um zu bewirken, dass die Verstärkungsgleichspannung 32 auf den geeigneten Spannungspegel ansteigt. Insbesondere modifiziert die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 46 das Umschalten des Schalters 38 der Spannungsverstärkungsstufe 28, um zu kompensieren, dass die Hilfsbatterie 26 von 12 V eine Eingangsgleichspannung von 8 V liefert. Die Umschaltmodifikation des Schalters 38 bewirkt, dass die Spannungsverstärkungsstufe 28 die Eingangsgleichspannung von 8 V in die Verstärkungsgleichspannung 32 mit dem korrekten Spannungspegel verstärkt.
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Als Beispiel umfasst die Spannungsverstärkungs-Steuereinheit 46 einen elektronischen LM3478-Chip; die GDIC 44 umfasst einen elektronischen UCC27201QDDARQ1-Chip; und die Kickstarterschaltung 46 umfasst eine Transistoranordnung. 5 stellt ein sehr detailliertes Diagramm der Kickstarterschaltung 46 dar.
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Wie beschrieben, stellt die GDPS 24 die folgenden Merkmale bereit. Die GDPS 24 erzeugt eine regulierte (d. h. 45 V) Spannungsverstärkungsversorgung. Die GDPS 24 ermöglicht sowohl Gateansteuerungs- als auch Drehmelderoperationen bis auf eine Batterie von 8 V. Die GDPS 24 erzeugt mehrere (z. B. zwölf) isolierte Leistungsversorgungen von 23 V bis 25 V, die in positiv von 15,5 V und negativ von 9,0 V aufgeteilt werden. Die GDPS 24 erzeugt drei isolierte Versorgungen von 15 V unter Verwendung von drei zusätzlichen Transformatoren. Die GDPS 24 erzeugt die Leistungsversorgungen unter Verwendung einer Mikrocontroller-Komplementärpaar-PWM. Die GPDS 24 ermöglicht eine Sequenzierung, Kosten/Raum-Einsparungen und zusätzliche Flexibilität. Der Transistor Q210 und seine zugehörige Schaltungsanordnung (5) der Kickstarterschaltung 46 ermöglicht einen Betrieb unter der Spannung, einen Durchbrennschutz, einen zeitlich gesteuerten Startimpuls von VBOOST, die Beseitigung eines Verstärkungsstart-Widerstands-Leistungsverbrauchs und die Bereitstellung einer groben linearen Regulierung für die GDIC 44 unter verschiedenen Betriebsbedingungen.
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Obwohl beispielhafte Ausführungsformen vorstehend beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der vorliegenden Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentbeschreibung verwendeten Worte Worte zur Beschreibung als zur Begrenzung, und selbstverständlich können verschiedene Änderungen durchgeführt werden, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale von verschiedenen Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden.
