DE3012728A1

DE3012728A1 - Gemeinschafts-stromversorgungssystem

Info

Publication number: DE3012728A1
Application number: DE19803012728
Authority: DE
Inventors: Allen B Hansel; Thiagarajan Natarajan
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Concurrent Computer Corp
Priority date: 1979-04-30
Filing date: 1980-04-01
Publication date: 1980-11-13
Also published as: JPS55147712A; AU5787980A; US4276590A; FR2455808A1; FR2455808B1; GB2047445B; AU529786B2; GB2047445A

Description

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Beschreibung

Die Erfindiong betrifft allgemein ein elektrisches Energieversorgungssystem und insbesondere ein Energieversorgungssystem, das eine Schaltung enthält, die eine gemeinsame Stromnutzung zwischen einer Vielzahl von Leisüungsbausteinen erlaubt, die miteinander gekoppelt sind, damit jeder Baustein denselben Strom einer Verteilerschiene zuführt..

Im Bereich der Digitalelektronik und insbesondere auf dem Gebiet der elektronischen digitalen Rechner werden oftmals elektronische Schaltungen der TTL- und MOS-Gruppen dazu benutzt, zahlreiche digitale Funktionen auszuführen. Die Schaltungsbausteine in diesen logischen Gruppen sind im typischen Fall auf einer Schaltungsplatte angeordnet/ die eine grosse Anzahl von derartigen Schaltungsbauteilen tragen kann, die sowohl in Reihen als auch in Spalten angeordnet sind. In vielen Fällen sind alle verfügbaren Bausteinpositionen auf jeder Karte eingenommen, so dass alle digitalen Signaleirqänge und -ausgänge von der Schaltungsplatte über eine Verbindungsklemme versorgt werden müssen.

Die integrierten Schaltungen auf jeder Sähaltungsplatte benötigen für ihre richtige Funktion eine hochstabilisierte Gleichstromversorgung. Eine Möglichkeit, die notwendige stabilisierte Energieversorgung zu gewährleisten, besteht darin, eine Energiequelle und einen Konstantregler auf jeder Schaltungsplatte vorzusehen. Diese Möglichkeit ist nicht vollständig zufriedenstellend, da die Energieversorgungsschaltung den Platz einnimmt, der sonst für digitale logische Bausteine verwendbar wäre. Diese Möglichkeit ist auch bei Systemen unerwünscht, die mehrere Schaltungsplatten haben , da die Schaltungen des Versorgungssystems auf jeder Schaltungsplatte dupliziert werden müssen, was in unnötiger Weise zu den Kosten des Systems beiträgt. Ein weiterer Nachteil der Massnahme,. das Energieversorgungssystem

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auf jeder Platte vorzusehen, besteht darin, dass die Wärmeableitung zu einem Problem wird, das dann, wenn es nicht gelöst wird, Anlass dazu geben kann, dass die Schaltung ausfällt. Eine zentrale Energiequelle scheint folglich die bessere Lösung dafür zu sein, eine Anzahl von Schaltungsbausteinen auf einer oder mehreren Schaltungsplatten mit Energie zu versorgen.

Bei digitalen Systemen, beispielsweise bei Kleinrechnern, bei denen der Benutzer wahrscheinlich ein System kauft und anschliessend -asätzliche Verarbeitungsbausteine oder Hilfssysteme zufügt, ergeben sich selbst bei der Verwendung eines zentralisierten Energieversorgungss'ystems dieselben Schwierigkeiten. Bei Anlagen, die so aufgebaut sind, dass anschliessend digitale Bausteine angefügt werden können, ist der Gleichstrombedarf des anschliessend abgewandelten Systems grosser als des am Anfang ausgelieferten Systems. Es ist daher wünschenswert, ein Energieversorgungssystem zur Verfügung zu haben, das den Energiebedarf des am Anfang ausgelieferten Systems sowie des anschliessend abgewandelten Systems befriedigt. Um das zu erreichen, kann die Energieversorgungsquelle am Anfang so ausgelegt werden, dass sie mit der Last oder dem Verbrauch, die bzw. der für das anfängliche System erforderlich ist sowie mit dem Verbrauch und der Last fertig wird, die anschliessend an eine folgende Abwandlung erfahrungsgemäss benötigt wird. Obwohl* diese Massnahme es erlaubt, das System mit ausreichender elektrischer Energie zu versorgen, trägt sie zu höheren Systemkosten bei, da am Anfang dem System eine überdimensionierte Energieversorgung gegeben werden muss.

Eine Möglichkeit, das Problem der höheren Kosten der Energieversorgung beim anfänglichen System, bei dem wahrscheinlich anschliessend Abänderungen vorgenommen werden, zu lösen, besteht darin, eine Energieversorgung vorzusehen, die am Anfang in der Lage ist, den Stromverbrauch zu bewältigen, und anschliessend weitere Energieversorgungen parallel zur anfäng-

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lichen Energieversorgung hinzuzusetzen, um mit dem höheren Verbrauch aufgrund einer anschliessenden Abwandlung des Systems fertig zu werden. Die Schwierigkeit bei dieser Massnahme besteht jedoch darin, dass typische Energieversorgungen dann, wenn sie parallel geschaltet werden, nicht notwendigerweise den Stromverbrauch teilen. In den meisten Fällen wird tatsächlich eine der Energieversorgungen versuchen, den gesamten Energiebedarf zu liefern, während die anderen Energieversorgungen, wenn überhaupt, wenig dazu beitragen. Wenn das der Fall ist, wird die Versorgung, die versucht, den gesamten Strom zu liefern, überlastet, was dann, wenn die Versorgung mit einer Überlastschützschaltung versehen ist, zu einem Abschalten führen wird, so dass es der zweiten Energieversorgung überlassen bleiben wird, zu versuchen, den Energiebedarf des Systems zu befriedigen. Wenn die zweite Versorgung gleichfalls eine überlastschutzschaltung hat, wird auch diese abgeschaltet, so dass das System ohne Energieversorgung bleibt-.

In Hinblick auf diese Schwierigkeiten ist es das Ziel der Erfindung, ein Bausteinenergieversorgungssystem zu liefern, bei dem zwei oder mehr Bautsteine parallel geschaltet werden können und der Stromverbrauch im wesentlichen gleich zwischen den parallel geschalteten Leistungsbausteinen aufgeteilt wird.

Durch die Erfindung soll weiterhin ein Bausteinenergieversorgungssystem geliefert werden, das sich zum Einbau am Einsatzort durch das Bedienungspersonal eignet, wobei ein derartiger Einbau keine schwierigen Einstellungen oder Änderungen der bereits vorhandenen Schaltung erforderlich machen soll.

Um das zu erreichen, wird durch die Erfindung ein Bausteinenergieversorgungssystem geliefert, das eine Leistungsinverterschaltung verwendet, um den Gleichstrom in einen hochfrequenten Wechselstrom umzuwandeln. Der Ausgang des Inverters ist über einen Transformator mit einem Gleichrichter und einer

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Filterschaltung verbunden, die an ihrem Ausgang eine im wesentlichen wellenfreie Gleichspannung erzeugt, die bei einem in der zugehörigen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel 5 V bei einer Stromstärke im Bereich von 0 bis 150 A pro Baustein beträgt. Bei einem System, bei dem wenigstens zwei Bausteine parallel geschaltet sind, ist eine Spannungssensorschaltung zwischen jeden Baustein und die gemeinsame Energieverteilerschiene geschaltet, die zu dem Filterausgang jedes Bausteines führt. Zusätzlich ist eine Stromsensorschaltung vorgesehen, um den Strom am Ausgang jedes Leistungsinverters wahrzunehmen. Es wird ein Differenzsignal mit einer Amplitude, die zum Unterschied zwischen dem Strom am Ausgang eines bestimmten Leistungsinverters und dem Strom am Ausgang eines zweiten Leistungsinverters in einem anderen Baustein in Beziehung steht, der die gemeinsame Energieverteilerschiene mit Energie versorgt. Dieses Differenzsignal und das Spannungssensorsignal werden kombiniert, um ein Impulsbreitensteuersignal zu entwickeln, das seinerseits die Impulsbreite des Signals steuert, das am Ausgang jedes Leistungsinverters geliefert wird. Jeder Leistungsinverter arbeitet auf das Impulsbreitensteuersignal ansprechend so, dass er seinen Ausgangsstrom erhöht, wenn das Impulsbreitensteuersignal anzeigt, dass die Last nicht gleichmässig verteilt ist und der andere Leistungsbaustein mehr Strom liefert, und dass er die Impulsbreite herabsetzt, wenn das Impulsbreitensteuersignal anzeigt, dass der Baustein mehr Strom der Last liefert als der andere Leistungsbaustein.

Jede Leistungsinverterschaltung in verschiedenen Leistungsbausteinen ist über eine Synchronschaltung synchronisiert, so dass die Inverterausgangssignale genau dieselbe Frequenz haben. Das ist vorteilhaft, da die Wellen, die im gleichgerichteten und gefilterten Ausgangssignal auftreten, dadurch auf ihre minimale Amplitude vermindert werden, da zwischen den Leistüngsinverterausgängen keine Schwebungsfrequenz auftritt.

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Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht in einem Gemeinschafts-Stromversorgungsbausteinsystem, das in jedem Baustein eine Inverterschaltung und eine Einrichtung aufweist, die den Strom zur gemeinsamen Last vom Baustein bestimmt. Eine Differenzschaltung ist dazu vorgesehen, den Unterschied zwischen dem vom Baustein gelieferten Strom und dem Mittelwert des Stromes zu bestimmen, der von den anderen Bausteinen geliefert wird. Dieser Unterschied wird dann dazu verwandt, die Impulsbreite des Inverterausgangssignals so zu verändern, dass die Impulse breiter werden, wenn der Strom vom Baustein kleiner als der von den anderen Bausteinen gelieferte Strom ist, und dass die Impulse schmaler werden, wenn der vom Baustein gelieferte Strom grosser als der von den anderen Bausteinen gelieferte mittlere Strom ist. Das System enthält weiterhin eine Spannungssensorschaltung, um die Arbeit des Bausteines so zu regulieren, dass eine konstante Ausgangsspannung beibehalten wird.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben:

Fig. 1 zeigt das Bloäkschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäs'sen Energieversorgungssystems mit zwei Gemeinschafts-Energieversorgungsbausteinen, die mit einer gemeinsamen Last gekoppelt sind.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer typischen Vollbrückeninverterschaltung, die als Teil jedes Leistungs- ■ bausteines gemäss der Erfindung verwandt werden kann.

Fig. 3 zeigt einen·Impulsbreitenmodulator und eine Treiberschaltung zum Steuern der Arbeit des in Fig. 2 dargestellten Inverters.

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Fig. 4 zeigt zwei Kompensationsschaltungen, die bei dem in Fig. 1 dargestellten System verwandt werden.

Fig. 5 zeigt die Bauteile, die dazu verwandt werden

können, das in Fig. 1 dargestellte Filter aufzubauen .

Fig. 6 zeigt eine Synchronschaltung, die bei dem in

Fig. 1 dargestellten System verwandt werden kann.

In Fig..1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des. erfindungsgemässen Gemeinschafts-Stromversorgungsbausteinsystems dargestellt. Ein Eingangswechselstrom wird auf der Leitung 10. geliefert, die am Eingang einer herkömmlichen. Gleichrichter- und Filterschaltung 12 liegt, die an ihrem Ausgang 14 eine Gleichspannung liefert, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel im typischen Fall in der Grossen— Ordnung von 300 V liegt. Die !Gleichrichter- und Filterschaltung 12 arbeitet in herkömmlicher Weise derart, dass sie den Eingangswechselstrom in einen im wesentlichen wellenfreien Ausgangsgleichstrom umwandelt.

D.ie Gleichspannung am Ausgang 14 der Gleichrichter- und Filterschaltung 12 liegt über eine Leitung 16 an einem ersten Leistungsbaustein, der von einer gestrichelten Linie 18 umgeben ist. In ähnlicher Weise liegt die elektrische Gleichstromenergie vom Ausgang 4 über eine weitere Leitung 12 am Eingang eines zweiten Leistungsbausteines, der von einer gestrichelten Linien 22 umgeben ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Schaltung des ersten Leistungsbausteines 18 und die des zweiten Leistungsbausteines 22 im wesentlichen identisch sind und dass sich die folgende Beschreibung der Schaltung hauptsächlich auf die Schaltung eines Leistungsbausteines , nämlich des ersten Leistungsbausteines 18, konzentriert.

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Die Gleichspannung auf der Leitung 16 liegt am ersten Leistungsbaustein 18 und wird einer Leistungsinverterschaltung 24 zugeführt, die den Eingangsgleichsstrom in einen Ausgangswechselstrom auf der Leitung 26 umwandelt. Bei einer VoIlbrückeninverterschaltung, die für den Leistungsinverter 24 typisch ist, umfasst das Ausgangssignal auf der Leitung 26 ein Wechselstromsignal mit einer Frequenz von 20 kHz und einer Spitze-zu-Spitze-Amplitude von annähernd 600 V. Die auf der Leitung 26 auftretenden positiven und negativen Impulse werden durch den Inverter 24 unter der Steuerung von Impulsbreitenmodulationssignalen impulsbreitenmoduliert, die durch die Impulsbreitenmodulatorschaltung 28 erzeugt werden und über die Leitung 30 anliegen.

Das Ausgangssignal der Inverterschaltung 24 auf der Leitung 26 liegt über einen Stromsensortransformator 32 an einem Abwärtsleistungstransformator 34, der die Spannung am Ausgang des Inverters 24 auf eine Spannung herabsetzt, die annähernd gleich der gewünschten Spannung ist, die an die Last R zu legen ist und die bei dem dargestellten System etwa 5 V beträgt. Das Wechselstromsignal mit niedriger Spannung auf der Leitung 36 liegt an einer herkömmlichen Gleichrichterschaltung 38, um den Wechselstrom in einen Gleichstrom umzuwandeln, der anschliessend durch ein herkömmliches LC-Filter 40 gefiltert wird, um am Punkt 42 eine im wesentlichen Wellenfreie Ausgangsgleichspannung zu liefern. Diese Spannung liegt dann über eine geeignete Energieverteilerschaltung an der mit R_ bezeichneten Last. Diese Last ist bei einem typischen integrierten Schaltungssystem eine verteilte Last, die im typischen Fall über eine Vielzahl von Schaltungsplatten verteilt ist, wobei eine Versorgungsschiene alle Schaltungsplatten miteinander verbindet. ""

In ähnlicher Weise wird die Gleichspannung auf der Leitung 20 durch einen zweiten Leistungsbaustein 22 in eine Gleichspannung auf der Leitung 44 umgewandelt, die direkt gleich-

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falls an der Last R_L liegt. Die Bausteine gemäss der Erfindung arbeiten so, dass die Ausgangsspannung des ersten Leistungsbausteines 18 und des zweiten Leistungsbausteines 22 gleich sind und dass der Strom in der Last R_ im wesentlichen gleich zwischen dem Leistungsbaustein 18 und dem Leistungsbaustein 22 aufgeteilt ist. Der Rest der Schaltung, der später beschrieben wird, arbeitet hauptsächlich so, dass er sicherstellt, dass die Arbeit des Leistungsbausteines 18 und des Leistungsbausteines 22 so reguliert ist, dass der Strom in der Last R gleichmässig zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungsbaustein 18 und 22 aufgeteilt ist.

Wie es bereits angegeben wurde, ist ein Stromsensortransformator 32 zwischen dem Leistungsinverter 24 und dem Transformator vorgesehen. Der Stromsensortransformator 32 liefert an seiner Sekundärwicklung ein Signal, das proportional zu dem durch seine Primärwicklung zwischen dem Ausgang 26 des Inverters und dem Transformator 34 hindurchgehenden Strom ist. Die Sekundärspannung des Transformators 32 wird über Dioden 46 gleichgerichtet, um ein Gleichspannungssignal am Punkt 48 zu liefern, dessen Amplitude proportional zu dem Strom ist, der durch die Primärwicklung des Stromsensortransformators 32 fliesst. Eine Filterschaltung 50 ist mit der Sekundärwicklung des Stromsensortransformators 32 und gleichfalls über eine Leitung 52 mit einer entsprechenden Filterschaltung 56 des zweiten Leistungsbausteines 22 verbunden. Das Filter 50 spricht auf das Spannungssignal am Punkt 48 an und erzeugt eine Gleichspannung, die proportional zu dem Strom I.. vom ersten Baustein 18 zur Last R^ ist. In ähnlicher Weise spricht das Filter auf das Spannungssignal am Punkt 58 an, um eine Gleichspannung zu erzeugen, die proportional zum Strom I, vom zweiten Baustein 22 zur Last R ist.

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Die Filter 50 und 56 wirken als zwei Batterien, die einanderentgegenarbeiten und einander kompensieren und einen Differenzstrom in der Schaltung erzeugen, die durch die Filter 50 und 56, die Leitungen 52, 54 und 60 und die Widerstände R₃ und R₃ ¹ bestimmt ist, der proportional zum Unterschied zwischen I- und I2 ist.

Der Differenzstrom auf der Leitung 54 fliesst durch den Widerstand R₃ und liefert über den Widerstand R₃ eine Spannung (Differenzsignal). Das Differenzsignal liegt dann über den Widerstand R- und die Leitung 52 am positiven Eingang einer Komparatorschaltung 64, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Teil des Impulsbreitenmodulatorbausteines 28 umfasst und insbesondere einen Teil einer integrierten Schaltung bildet, der von Silicon General unter der Bezeichnung SG3524 erhältlich ist.

Eine die Ausgangsspannung aufnehmende Leitung 66 ist mit der Energieverteilerschaltung vorzugsweise an einer Stelle in der Mitte der verteilten Last R verbunden, so dass die Schaltungen am äussersten Ende der verteilten Last eine Spannung erfahren, die unter der Spannung am Wahrnehmungspunkt , jedoch innerhalb der gewünschten Spannungstoleranz liegt,und dass die Schaltungen, die näher am Ausgang der LC-Filter liegen, auf einer Spannung liegen, die über der durch die Leitung 66 aufgenommenen Spannung,jedoch innerhalb der Spannungstoleranzen liegt. Die aufgenommene Spannung liegt dann über eine Widerstaridsschaltung mit Widerständen R₄ und R₅ sowie über eine Kompensationsschaltung 68 am negativen Eingang der Verstärkerschaltung 64. Eine weitere Kompensationsschaltung 70 liegt zwischen dem Ausgang der Verstärkerschaltung 64 und ihrem negativen oder invertierenden Eingang.

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Die Verstärkerschaltung 64 und der Impulsbreitenmodulator 68 sprechen auf das Signal für die aufgenommene Spannung auf der Leitung 66 sowie auf das Stromdifferenzsignal auf der Leitung 54 an, um die Spannung und den Strom am Ausgangspunkt 42 einzustellen. D.h. im einzelnen, dass immer dann, wenn die aufgenommene Spannung auf der Leitung 66 unter die gewünschte Ausgangsspannung für die Energieversorgung fällt, die Verstärkerschaltung 64 den Impulsbreitenmodulator 28 dazu bringt, die Impulse zu verbreitern, die von der Inverterschaltung 24 erzeugt werden. Wenn das der Fall ist, nimmt die Ausgangsspannung vom ersten Leistungsbaustein 18 zu. Wenn die aufgenommene Ausgangsspannung auf der Leitung 66 über der gewünschten Höhe liegt, spricht der Verstärker 64 auf die erhöhte Spannung an, um den Impulsbreitenmodulator 28 dazu zu bringen, die Impulsbreite der Impulse von der Inverterschaltung 24 zu verkleinern. In ähnlicher Weise spricht der Verstärker 64 auf das Stromdifferenzsignal auf der Leitung 64 an, um entweder die Impulsbreite des Signals am Ausgang des Inverters 24 zu vergrössern oder zu verkleinern. Die Impulsbreite wird immer dann vergrössert, wenn das Differenzsignal anzeigt, dass der Strom I₂ grosser als der Strom I-j ist. Die Impulsbreite der Impulse vom Inverter 24 wird andererseits immer dann verkleinert, wenn das Differenzsignal auf der Leitung 54 anzeigt, dass der Strom Ii grosser als der Strom I2 ist. Es versteht sich jedoch, dass die Spannungsaufnahmerückkopplung, die die Arbeit des Inverters 24 einstellt, unabhängig von der Stromaufnahmertickkopplung ist, die gleichfalls die Arbeit des Inverters 24 einstellt. Somit kann entweder die Leitung 66 oder die Leitung 54 mit einer Vergleichsspannungsquelle verbunden werden, während die andere Rückkopplungsschaltung zum Verstärker 64 weiter in der oben beschriebenen Weise arbeitet.

Die Arbeitsweise des Leistungsbausteines 22 ist im wesentlichen die gleiche, wie sie oben für den Leistungsbaustein 18 beschrieben wurde. Die in Fig. 1 dargestellt Schaltung

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enthält gleichfalls eine Synchronschaltung 72, die mit der Impulsbreitenmodulatorschaltung 28 im Leistungsbaustein 18 und mit der Impulsbreitenmodulatorschaltung 74 im zweiten Leistungsbaustein 22 verbunden ist. Die Synchronschaltung 72 arbeitet so, dass sie sicherstellt, dass die Frequenz der Impulse von den Impulsbreitenmodulatorschaltungen 28 und 74 gleich ist. In dieser Weise zeigt die Gleichspannung am Ausgangspunkt 42 des ersten Leistungsbausteines 18 und am Ausgangspunkt 44 vom zweiten Leistungsbaustein 22 eine Welligkeit mit genau derselben Frequenz, so dass keine Schwebungsfrequenz dazwischen auftritt, die sonst dazu führen würde, die We11enspannung an der Last R_L zu erhöhen.

Der Schaltungsaufbau für einen typischen Vollbrückeninverter 24 ist in Fig. 2 dargestellt. Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung wird über Steuersignale gesteuert, die über die Leitungen a, b, c, d, e, f, g und h anliegen. Diese Steuersignale bringen Transistoren Q1 und Q4 während des halben Zyklus des Inverters in den leitenden Zustand und Transistoren Q2 und Q3 während des anderen halben Zyklus in den leitenden Zustand. In dieser Weise wird ein Wechselstrom über den Stromtransformator 32 und den Leistungstransformator 34 gebildet.

Die Schaltung in Fig. 3 zeigt die Bauteile, die erforderlich sind, um die Steuersignale zum Steuern der Arbeitsweise des Vollbrückeninverters in Fig. 2 zu bilden. Zentral für die Arbeit der Schaltung in Fig. 3 ist jedoch eine integrierte Schaltung, die von Silicon General unter der Bezeichnung SG3524 erhältlich ist und durch den Baustein 100 dargestellt ist. Dieser Baustein 100 weist Signaleingänge zu den Leitungen j, k und 1 sowie zu den Steuerleitungen m, η und ο auf. Der Baustein erzeugt Signale an seinen Ausgängen EA, CA, CB und EB, die die Schaltung zur Bildung der Steuersignale auf den Leitungen a, b, c, d, e, f, g und h steuern.

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Es sei weiterhin darauf hingewiesen, dass die Verstärkerschaltung 64 in Fig. 1 sich tatsächlich im Baustein 100 befindet, wobei der Eingangsstift 1 den invertierenden Eingang für den Verstärker und der Stift 2 den nicht invertierenden Eingang für den Verstärker bilden. Der Ausgang des Verstärkers, der an der Kompensationsschaltung 70 liegt, ist der Stift 9 des Bausteines 100.

In Fig. 4 ist ein Schaltbild im einzelnen dargestellt, das die Kompensationsschaltungen 68 und 70 in Fig. 1 zeigt. Diese Kompensationsschaltungen 68 und 70 liegen in der Schaltung des Systems gemäss Fig. 1 in der Weise, wie es aus dem Schaltbild in Fig, 4 deutlich ersichtlich ist.

Fig. 5 zeigt ein typisches Filter 50 von Fig. 1, das als Gleichrichter und Filter dient, um über dem 1000 Ohm Widerstand eine Gleichspannung zu entwickeln. Diese Gleichspannung ist proportional zu dem Strom, der durch den Stromsensortransformator 32 fliesst. Es versteht sich jedoch, dass das Filter 50 in Fig. 5 leicht aus anderen Bauelementen und in anderer Weise aufgebaut sein kann.

Fig. 6 zeigt, wie eine Synchronisierung zwischen dem Impulsbreitenmodulator 28 und dem Impulsbreitenmodulator 74 erreicht wird. Insbesondere sind die Ausgänge aller Oszillatoren in den Impulsbreitenmodulatorplättchen von Silicon General unter der Bezeichnung SG3524 zusamraengeschaltet, wie es durch die Leitung dargestellt ist, die an einem Ende mit einem m bezeichnet ist. Die Leitungen η und ο des Bausteines 100 in Fig. 3 sind darüberhinaus jeweils über einen Kondensator und einen Widerstand mit Masse verbunden, von denen jedes Bauelement den in Fig. 6 angegebenen Wert hat. Dadurch wird eine Periode für den Oszillator in einem Plättchen SG3524 von Silicon General gebildet. Der Oszillator im anderen Impulsbreitenmodulatorplättchen liegt mit seinen Leitungen η und ο an einem Kondensator und einem Widerstand,wie es

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in Fig. 6 allgemein bei 102 dargestellt ist, wobei der Kondensator eine Kapazität hat, die gleich der Hälfte der Kapazität des Kondensators ist, der mit dem anderen Impulsbreitenmodulator gekoppelt ist und wobei der Widerstand einen grösseren Widerstandswert als derjenige Widerstand hat, der mit dem anderen Impulsbreitenmodulator verbunden ist. Die für den Widerstand und den Kondensator bei 102 in Fig. 6 gewählten Werte sind derart, dass die Periode des Oszillators im*Impulsbreitenmodulator im zweiten Leistungsbaustein länger als die im ersten Leistungsbaustein ist. Das Ausgangssignal vom ersten Impulsbreitenmodulator ist somit ein Signal, das die Arbeit des Impulsbreitenmodulators im zweiten Leistungsbaustein steuert.

Wie es oben angegeben wurde, ermöglicht es das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Systems, dass zwei identische Leistungsbausteine miteinander gekoppelt sind, um eine gemeinschaftliche Stromteilung zwischen den Bausteinen zu ermöglichen, wenn ihre Ausgänge über eine gemeinsame Last R_ zusammengeschaltet sind. Da die Schaltung weiterhin auch einen Ausgangsstromsensor und einen Ausgangsspannungssensor aufweist, arbeitet die kombinierte Schaltung derart, dass sie die von den beiden Bausteinen der gemeinsamen Last gelieferte Energie gleichmässig aufteilt.

Das Grundprinzip der Erfindung ist in gleicher Weise auf Systeme mit mehr als zwei Leistungsbausteinen anwendbar. Diesbezüglich sind zusätzliche Leistungsbausteine, die mit den in Fig. 1 dargestellten Bausteinen identisch sind, parallel zueinander geschaltet, so dass der Laststrom von den zusatz- ■ liehen Leistungsbausteinen gleichfalls an der gemeinsamen Last R- liegt. Die weiteren Leistungsbausteine enthalten zusätzlich Anschlüsse von der entsprechenden Filterschaltung zur Leitung 52 und weitere Anschlüsse zur Synchronschaltung 72, so dass die Impulsbreitenmodulatoren aller Leistungsbausteine mit derselben Frequenz betrieben werden. Die weiteren

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Leistungsbausteine enthalten gleichfalls eine Leitung für die Aufnahme der Ausgangsspannung, die mit der gemeinsamen Last am selben Punkt wie die Leitung für die Aufnahme der Spannung der beiden in Fig. 1 dargestellten Bausteine verbunden ist. In dieser Weise können die weiteren Leistungsbausteine in geeigneter Weise auf eine abfallende Ausgangsspannung über der gemeinsamen Last ansprechen.

Da die weiteren Leistungsbausteine eine interne Stromaufnahmeschaltung enthalten, arbeiten diese weiteren Leistungsbausteine dann, wenn sie mit denjenigen im System von Fig. 1 gekoppelt sind, so,dass sie die durch die Bausteine, die mit der gemeinsamen Last verbunden sind, gelieferte Energie aufteilen. Bei einem derartigen System ist das entwickelte Differenzsignal jedoch gleich dem Unterschied zwischen dem Strom,der von einem Baustein geliefert wird,und dem Mittelwert der Ströme, die von den anderen Bausteinen geliefert werden.

Im Obigen wurden bestimmten Schaltungsbauelementen ein Parameterwert oder eine Standard-Handelsbezeichnung zugeordnet. Das erfolgte zum Zweck der deutlichen Darstellung und aus Gründen der Einfachheit und ist nicht als eine Einschränkung auf einen bestimmten Wert oder Typ eines Bauelementes zu verstehen. Es können selbstverständlich andere Schaltungen, Bauelemente und Parameter,solange sie äquivalente Schaltungen sind, verwandt werden.

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Claims

PATE N TA N W A4 -.TE A. GRÜNECKER »PL-ING H. KINKELDEY DR-INO W. STOCKMAIR U I 4L I £. O K. SCHUMANN . MKRWr WL-PMYS P. H. JAKOB CXPL-INa G. BEZOLD DR RSI NAT ■ WPL-CHEM 8 MÜNCHEN 22 MAXIMILIANSTRASSE *3 P 14 862

1. April 1980

PerkiS-Elmer Corporation
Main Avenue, Norwalk, Connecticut 06856, USA

Gemeinschafts-Stromversorgungssystem

PATENTANSPRÜCHE

1.) Gemeinschafts-Stromversorgungssystem mit einer Anzahl von miteinander verbundenen Bausteinen, dadurch gekennzeichnet , dass jeder Baustein (18, 22) einen Leistungsinverter (24), der einen Ausgangswechselstrom erzeugen kann und auf ein aussen erzeugtes Impulsbreitensignal ansprechend die Breite jedes Wechselstromimpulses ändern kann, eine Stromsensorschaltung (32, 50), die auf den Wechselstromimpuls anspricht und ein erstes Stromstärkensignal erzeugt, das den Ausgangsstrom des Bausteines wiedergibt, der die Stromsensorschal-

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TELEFON (Οββ) SSQSaa TELEX OB-9S3BO TELEQBAMME MONAPAT TELEKOPIERER

tung (32, 50) enthält, wobei die Stromsensorschaltung (32, 50) eine Einrichtung (50) aufweist, die auf das Stromstärkensignal von jedem anderen Leistungsbaustein anspricht, der damit verbunden ist, um ein Stromdifferenzsignal zu liefern, das den Unterschied zwischen dem ersten Stromstärkensignal· und dem Mittelwert aller Stromstärkensignale von allen anderen Systembausteinen wiedergibt, und eine Einrichtung (28, 64) aufweist, die auf das Differenzsignal anspricht und das Impulsbreitensignal erzeugt, damit der Leistungsinverter (24) breitere Impulse erzeugt, wenn das Stromdifferenzsignal anzeigt, dass der wahrgenommene Strom kleiner als der Mittelwert aller wahrgenommenen Ströme von den anderen Systembausteinen ist, und schmalere Impulse erzeugt, wenn der wahrgenommene Strom grosser als der Mittelwert aller wahrgenommenen Ströme von den anderen Systembausteinen ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Baustein (18, 22) zusätzlich eine Einrichtung aufweist, die die Ausgangsspannung jedes Leistungsinverters (24) wahrnimmt,und dass die Einrichtung (28, 64), die das Impulsbreitensignal erzeugt, zusätzlich auf die wahrgenommene Ausgangsspannung anspricht, um das Impulsbreitensignal so zu ändern, dass die Breite der Impulse vom Leistungsinverter (24) zunimmt, wenn die wahrgenommene Spannung unter der gewünschten Spannung liegt, und dass die Breite der Impulse vom Leistungsinverter (24) zunimmt, wenn die wahrgenommene Spannung über der gewünschten Spannung liegt.

3. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gleichrichter- und Filterschaltung (28, 40), die mit dem Ausgang jedes Leistungsinverters (24) verbunden ist und einen Gleichstrom an ihrem Ausgang liefert.

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4. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (72), die jeden Leistungsinverter

(24) synchronisiert, um die Wechselstromimpulse mit derselben Frequenz zu erzeugen.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet', dass jede Stromsensorschaltung einen Transformator

(32) enthält, durch dessen Primärwicklung die Wechselstromimpulse vom Baustein gehen, wobei jeder Transformator (32) eine Sekundärwicklung aufweist, in der eine Spannung induziert wird, die proportional zum Strom in der Primärwicklung ist.

6. Gemeinschafts-Stromversorgungssystem zum Aufteilen des Stromverbrauches zwischen zwei Bausteinen, gekennzeichnet durch eine elektrische Gleichstromversorgungsquelle (12), einen ersten und einen zweiten Leistungsinverter (24),. von. denen jeder den elektrischen Gleichstrom in einen ersten und einen zweiten Ausgangswechselstrom umwandeln kann, die beide an einer gemeinsamen Last (R₃.) liegen, wobei der erste und der zweite Leistungsinverter (24) jeweils auf ein erstes aussen erzeugtes Impulsbreitensignal und ein zweites aussen erzeugtes Impulsbreitensignal ansprechen und die Breite der Wechselstromimpulse von jedem Inverterausgang ändern, eine erste Stromsensorschaltung (32, 50), die ein erstes Stromstärkensignal erzeugt, das den Ausgangstrom des ersten Leistungsinverters (24) wiedergibt, eine zweite Stromsensorschaltung (32, 56), die ein zweites Stromstärkensignal erzeugt, das den Ausgangsstrom des zweiten Leistungsinverters (24) wiedergibt, wobei die erste Stromsensorschaltung (32, 50) eine erste Differenzschaltung (50) enthält, die ein erstes Stromdifferenzsignal auf das erste Stromstärkensignal und das zweite Stromstärkensignal ansprechend erzeugt, das den Unterschied zwischen dem ersten Stromstärkensignal und dem zweiten Stromstärkensignal wiedergibt, und wobei die zweite Stromsensorschaltung (32, 56) eine zweite Differenzschaltung (56) enthält, die ein zweites Differenzsignal auf das erste Strom-

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Stärkensignal und das zweite Stromstärkensignal ansprechend erzeugt, das den Unterschied zwischen dem zweiten Stromstärkensignal und dem ersten Stromstärkensignal wiedergibt, eine erste Impulsbreitensignalgeneratoreinrichtung (28), die auf das erste Differenzsignal anspricht und das erste Impulsbreitensignal erzeugt, damit der erste Leistungsinverter (24) einen breiteren Impuls erzeugt, wenn das erste Stromdifferenzsignal anzeigt, dass das erste Stromstärkensignal kleiner als das zweite Stromstärkensignal ist, und damit der erste Leistungsinverter (24) einen schmaleren Impuls erzeugt, wenn das zweite Stromstärkensignal kleiner als das erste Stromstärkensignal ist, und eine zweite Impulsbreitensignalgeneratoreinrichtung (74), die auf das zweite Differenzsignal anspricht und das. zweite Impulsbreitensignal erzeugt, damit der zweite Leistungsinverter (24) einen breiteren Impuls erzeugt, wenn das.zweite Stromdifferenzsignal anzeigt, dass das zweite Strömstärkensignal kleiner als das erste Stromstärkensignal ist, und damit der zweite Leistungsinverter (24) einen schmaleren Impuls erzeugt, wenn das erste Stromstärkensignal kleiner als das zweite Stromstärkensignal ist.

7. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine erste Spannungssensor schaltung,· die ein erstes Signal für die aufgenommene Spannung erzeugt, das die Spannung über' der gemeinsamen Last (R_) wiedergibt, und durch eine zweite Spannungssensorschaltung, die ein zweites Signal für die aufgenommene Spannung erzeugt, das gleichfalls die Spannung über der gemeinsamen Last (R-.) wiedergibt, wobei der erste Impulsbreitengenerator (28) auf das erste Signal für die aufgenommene Spannung anspricht, um das erste Impulsbreitensignal zu ändern, damit der erste Leistungsinverter (24) die davon erzeugten Wechselstromimpulse breiter macht, wenn die erste aufgenommene Spannung unter einem gewählten Wert lieg^und die Wechselstromimpulse schmaler macht, wenn die

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erste aufgenommene Spannung über den gewählten Wert liegt, und wobei der zweite Impulsbreitengenerator (74) auf das zweite Signal für die aufgenommene Spannung anspricht, um das zweite Impulsbreitensignal zu ändern, damit der zweite Leistungsinverter die davon erzeugten Wechselstromimpulse verbreitert, wenn die zweite aufgenommene Spannung unter dem gewählten Wert liegt_;und die Wechselstromimpulse schmaler macht, wenn die zweite aufgenommene Spannung über dem gewählten Wert liegt.

8. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine erste Gleichrichter- und Filterschaltung (38, 40), die mit dem Ausgang des ersten Leistungsinverters (24) verbunden ist, um einen Gleichstrom am Ausgang der ersten Gleichrichter- und Filterschaltung (38, 40) zu erzeugen, und durch eine zweite Gleichrichter- und Filterschaltung, die mit dem Ausgang des zweiten Leistungsinverters verbunden ist, um einen Gleichstrom am Ausgang der zweiten Gleichrichter- und Filterschaltung zu erzeugen, wobei der Ausgang der zweiten Filter- und Gleichrichterschaltung mit dem Ausgang der ersten Gleichrichter- und Filterschaltung (38, 40) sowie mit einer gemeinsamen Last (R_x) verbunden ist.

9. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (72), die den ersten Leistungsinverter (24) und den zweiten Leistungsinverter synchronisiert, damit die Wechselstromimpulse an jedem Inverterausgang mit derselben Frequenz erzeugt werden.

10. Gemeinschafts-Stromversorgungssystern zum Aufteilen des Stromverbrauches zwischen zwei Hilfssystemen, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Leistungs inverter (24), von denen jeder jeweils einen ersten und einen zweiten Ausgangswechselstrom erzeugen kann, wobei der erste und der zweite Leistungsinverter (24) jeweils auf ein aussen erzeugtes erstes Impulsbreitensignal und ein aussen erzeugtes

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zweites Impulsbreitensignal ansprechen, von denen jedes dazu führt, dass die Breite der Wechselstromimpulse an dem Ausgang jedes Leistungsinverters verändert wird, durch eine erste und eine zweite Gleichrichter- und Filterschaltung (38, 40), die jeweils mit dem Ausgang des ersten und zweiten Leistungsinverters (24) verbunden sind, um jeweils einen ersten und einen zweiten im wesentlichen wellenfreien Ausgangsstrom zu erzeugen, wobei der erste und der zweite wellenfreie Ausgangsstrom gekoppelt werden, so dass sich eine gemeinsame Energiequelle für eine Energieverteilungsschaltung ergibt, die damit verbunden ist, durch eine erste Stromsensoreinrichtung (32), die den Strom am Ausgang des ersten Leistungsinverters (24) wahrnimmt und ein erstes Signal für den wahrgenommenen Strom erzeugt, durch eine zweite Stromsensoreinrichtung, die den Strom am Ausgang des zweiten Leistungsinverters wahrnimmt und ein zweites Signal' für den wahrgenommenen Strom erzeugt, durch eine erste Differenzschaltungseinrichtung (50), die ein erstes Differenzsignal erzeugt, das proportional zum Unterschied zwischen dem ersten Signal für den wahrgenommenen Strom und dem zweiten Signal für den wahrgenommenen Strom ist, durch eine zweite Differenzschaltungseinrichtung (56) , die ein zweites Differenzsignal erzeugt, das proportional zum Unterschied zwischen dem zweiten Signal für den wahrgenommenen Strom und dem ersten Signal für den wahrgenommenen Strom ist, durch eine erste und eine zweite Spannungssensorschaltung, von denen jede jeweils so arbeitet, dass sie ein erstes und ein zweites Signal für die wahrgenommene Spannung erzeugt, die die Spannung wiedergeben, die an der Energieverteilungsschaltung auftritt, die mit dem Ausgang der ersten und der zweiten Gleichrichter- und Filterschaltung (28, 40) verbunden ist, durch eine erste Impulsbreitensteuersignalgeneratoreinrichtung (28) , die auf das erste Signal für die wahrgenommene Spannung und das erste Differenzsignal anspricht, und ein erstes Impulsbreitensignal erzeugt, das die Ausgangsenergie vom ersten Leistungsinverter erhöht, wenn der erste Leistungs-

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inverter weniger Energie als der zweite Leistungsinverter liefert,und die Ausgangsenergie herabsetzt, wenn der erste Leistungsinverter mehr Energie als der zweite Leistungsinverter liefert, und durch eine zweite Impulsbreitensteuersignalgeneratoreinrichtung (74), die auf das zweite Signal für die wahrgenommene Spannung und das zweite Differenzsignal anspricht, um ein zweites Impulsbreitensignal zu erzeugen, das die Ausgangsenergie vom zweiten Leistungsinverter erhöht, wenn der zweite Leistungsinverter weniger Energie als der erste Leistungsinverter liefert, und das die Ausgangsenergie herabsetzt, wenn der zweite Leistungsinverter mehr Energie als der erste Leistungsinverter liefert. '

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