DE4442105A1 - Schaltspannungsbegrenzer für eine Solarpanelgruppe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Steuern der Stromzuführung von einer Stromquelle zu einer Last und ins­ besondere auf einen Nebenschluß-Schaltspannungsbegrenzer für eine Solarpanelgruppe an einem Raumfahrzeug.

Eine detaillierte Beschreibung bekannter Leitungsspannungs­ begrenzer (BVL) für Raumfahrtsolargruppen ist in der US-PS 4 691 159 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch Bezug­ nahme zum Gegenstand dieser Beschreibung gemacht wird. Wie in jener Druckschrift beschrieben ist, verwenden übliche Span­ nungsregelsysteme für Raumfahrzeug-Solarpanel in Nebenschluß geschaltete Spannungsbegrenzer, die Verlustwärme abgeben (siehe Fig. 4 und 5 der Druckschrift) oder Ladeschaltbegrenzer (siehe Fig. 6 bis 9 der Druckschrift). Beide verwenden ein Impuls­ breitenmodulationsschema zur Aufrechterhaltung einer im wesent­ lichen konstanten Ausgangsspannung. Während die mit Verlust ar­ beitenden Begrenzer die Überspannung durch einen Schalter im Nebenschluß mit der Solarpanelgruppe vernichten, regelt der Laderegler die Spannung, die an einer Induktanzspule erzeugt wird, die zwischen die Solargruppe und die Last in Reihe ge­ schaltet ist. Die der Last zugeführte Spannung ist die Summe aus der Zuführspannung und der Induktorspannung. Der Impuls­ breitenmodulator regelt die Ausgangsspannung durch Beeinflus­ sung der Spannungserhöhung, die von dem Induktor erzeugt wird. Es gibt Kompromisse bei den beiden Lösungen, die die sehr loka­ lisierte Erwärmung, die bei der erstgenannten Lösung auftritt, und die Energieverschwendung, die den Zusatzbegrenzern am Ende der Lebensdauer eigen ist, umfassen. Das vorgenannte Patent ist auf die Lösung dieser kollidierenden Forderungen gerichtet, und sie gibt ein Regelsystem an, bei dem die Salarpanelgruppe in einen Konstantstromteil und einen Konstantspannungsteil un­ terteilt ist, mit einem Zusatz-Schaltregler, der so angeschlos­ sen ist, daß er Energie nur vom Konstantstromteil empfängt.

Ein weiterer bekannter Solarpanelregler ist der sequentielle Voll-Nebenschluß-Begrenzer, der in Fig. 1 der Zeichnungen dar­ gestellt ist. Das Salarpanelsteuermodul enthält einen PWM- Regler, vier Kurzschlußschalter, vier Trenngleichrichter, einen Filterkondensator C1 und ein Tiefpaßfilter L1C2. Ein vollstän­ diges Solarpanelregelsystem würde mehrere dieser Module enthal­ ten, die zusammen mit dem Eingang des Tiefpaßfilters verbunden sind, wobei von jeder die Ausgangsgleichspannung so eingestellt wird, daß sie auf eine leicht andere Spannung eingeregelt wird. Jeder Regler hat dann drei Betriebsarten, die von der Busspannung (und Last) bestimmt werden: alle Schalter ausge­ schaltet, modulierter Betrieb der Schalter oder alle Schalter eingeschaltet. Dieser Regler regelt bis zu 2,5 KW Solargruppen­ energie, um eine geregelte Ausgangsspannung von 51,75±0,75 Volt Gleichspannung am Bus abzugeben. Er ist jedoch nicht frei von Nachteilen, wie beispielsweise die Emission relativ hoher Pegel elektromagnetischer Störungen (EMI). Dies rührt vom Ver­ fahren der Solargruppenschaltung her, das Rechteckwellen von 50 Volt Amplitude mit hoher Frequenz (40 Khz) erzeugt, die an Abschnitten der Solargruppenverdrahtung außerhalb des Raumfahr­ zeugs vorhanden sind. Das Filtern dieser Leitungen ist schwie­ rig, weil es dem Nebenschlußelementen (d. h. den Leistungs-MOS- FETs) in der BVL höheren elektrischen Belastungen aussetzt. Ein effektiveres Filtern kann dort ausgeführt werden, wo elektroma­ gnetisch empfindliche Programme betroffen sind, jedoch mit dem Nachteil eines erheblich höheren Gewichts. Zusätzlich zur Ab­ strahlung von EMI hoher Pegel sind die bekannten BVL-Lösungen relativ schwer und haben sich in der Praxis als relativ schwie­ rig herzustellen erwiesen. Die Impulsbreitenmodulationslösung, die im bekannten Begrenzer von Fig. 1 gewählt ist, läßt sich nicht leicht auf Regelschleifenstabilität analysieren. Während der Herstellung und Prüfung ist die Schaltung auf das interne Verdrahtungslayout und die Komponentenanordnung hochempfind­ lich. Dies rührt anscheinend wenigstens teilweise von den hohen Pegeln der EMI her, die an der Solarpanelverdrahtung in­ nerhalb der Einheit vorhanden sind.

Eine Gleichspannungswandlerleistungsstufe mit gekoppeltem Induktor ist bei anderen Anwendungen eingesetzt worden, wie beispielsweise dem Batterieentladungsregler, der in der US- PS 51 22 728 beschrieben ist. Bei dieser Anwendung arbeitet der Wandler mit einer Stromquelle niedriger Impedanz (z. B. der Batterie des Raumfahrzeugs) und liefert Strom zum gere­ gelten Raumfahrzeugbus. Die Regelgesetze, die diese Anwendung bestimmen, erfordern, daß der schaltende Wandler das Tastver­ hältnis in Abhängigkeit von einer Steigerung im Laststrom oder der Leistung vergrößert. Die Stromquellenspannung bleibt über weite Lastbereiche im wesentlichen konstant, während der Strom von der Stromquelle breite Änderungen erfährt. Bei der Bus­ spannungsbegrenzeranwendung der vorliegenden Erfindung nimmt das Tastverhältnis in Abhängigkeit von einer Laststeigerung ab, und die eingegebene Versorgungsspannung variiert über Last­ schwankungen in hohem Maße, während der Eingangsstrom aufgrund der Natur der photovoltaischen Solarspannungsquelle im wesent­ lichen konstant bleibt. Im Gegensatz zum Stand der Technik ver­ wendet der Busspannungsbegrenzer der vorliegenden Erfindung einen induktorgekoppelten, schaltenden Gleichspannungswandler zur Erzielung einer vollen Nebenschlußspannungsbegrenzung für eine Raumfahrzeugsolargruppe. Der Busspannungsbegrenzer der vorliegenden Erfindung erfordert keine Anzapfung an der Solar­ panelgruppe, wie bei dem eingangs genannten US-Patent, und keine separaten Dioden und Verdrahtung am Begrenzer für jede Solargruppenschaltung, wie in Fig. 1. Schließlich erzeugt der Begrenzer nach der vorliegenden Erfindung nur sehr niedrige Pegel leitungsgeführter und abgestrahlter elektromagnetischer Störungen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Busspannungsbegrenzer zwischen eine photovoltaische Solarpanelgruppe und eine Last geschaltet, um die Ausgangsspannung auf eine feste Bezugs­ gleichspannung zu regeln. Der Begrenzer enthält einen Pulsbrei­ tenmodulator, der das Tastverhältnis eines Leistungsschalters zwischen 0% und 100% steuert, um eine im wesentlichen kon­ stante Ausgangsspannung V_out aufrechtzuerhalten. Ein gekoppel­ ter Induktor-Gleichspannungswandler zur Spannungserhöhung ent­ hält zwei Hauptwicklungen, die mit dem Leistungsschalter zusam­ menwirken, der entsprechend dem Tastverhältnis geschaltet wird, um die geregelte Ausgangsspannung zu erzeugen. Eine Hilfswick­ lung erzeugt eine Unterdrückung der Eingangsstromwellung in Zusammenwirken mit einem zweiten Induktor und einem Gleich­ spannungs-Blockkondensator, um elektromagnetische Störungen zu vermindern.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen detailliert erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema eines bekannten Busspannungsbegren­ zers für eine Raumfahrzeug-Solargruppe, und

Fig. 2 ein Schaltschema der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 2 erkennt man einen Busspannungsbegrenzer 10 mit einem Eingangsanschluß 12, der mit einer photovoltaischen Solar­ panelgruppe 14 verbunden ist, und einem Ausgangsanschluß 16, der mit einer Last 18 verbunden ist. Der Begrenzer 10 begrenzt die Ausgangsspannung V_out auf eine feste Bezugsgleichspannung V_ref, wobei die Eingangsleistung auf die Ausgangsleistung plus Umwandlungsverlust abgestimmt wird.

Die Gruppe 14 enthält mehrere einzelne Solarzellenkreise. Wenn hier nur vier Zellen gezeigt sind, kann die Gruppe doch auch bis zu 32 Kreise enthalten. Alle Zellenkreise sind am Panel zusammengeschaltet und mit dem Eingang des Begrenzers 10 ver­ bunden, wodurch Solarpanelzusammenbau und -prüfung vereinfacht und Kosten im Vergleich zu dem üblichen sequentiellen Neben­ schlußbegrenzer verhindert werden.

Der Begrenzer 10 enthält einen Impulsbreitenmodulator 20, der das Tastverhältnis des Leistungsschalters 22 zwischen 0% und 100% in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Fehlerverstär­ kers 24 steuert. Der Schalter 22 ist vorzugsweise ein Leistungs-MOSFET. Das Ausgangssignal des Verstärkers 24 re­ präsentiert den Fehler zwischen V_out und V_ref. Eine gekoppelte Induktanzspule 26 enthält Wicklungen 26A, 26B und 26C. An einer Seite der Wicklung 26A ist die Erdung angeschlossen, während die andere Seite über den Schalter 22 mit dem Spannungsanschluß 12 verbunden ist. Eine Seite der Wicklung 26B ist mit dem Aus­ gangsanschluß 16 verbunden, während die andere Seite mit dem Eingangsanschluß 12 über eine Diode 28 verbunden ist. Die Wick­ lungen 26A und 26B sind die gekoppelten Spulenleistungswicklungen. Eine Hilfswicklung 26C dient dazu, die Stromwellung zu unterdrücken, und sie ist mit einer Spule 30 und einem Gleichspannungsblockkondensator 32 zwischen den Eingangsanschluß 12 und die Erdung in Reihe geschaltet. Ein Energieübertragungskondensator 34 ist zwischen einen Verbin­ dungspunkt 36 und einen Verbindungspunkt 38 geschaltet, die mit den einen Seiten der Wicklungen 26B bzw. 26A verbunden sind. Ein Ausgangskondensator 40 ist über die Last 18 geschaltet.

Der Fehlerverstärker 24 ermittelt V_out am einen Eingang und ist mit einer Zener-Diode 24 am anderen Eingang verbunden, die eine Bezugsspannung V_ref definiert. Der Verstärker 24 erzeugt eine Fehlerspannung für den Modulator 20, die das Tastverhältnis des Leistungsschalters 22 zwischen 0 und 100% in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Fehlerverstärkers beeinflußt. Wenn der Schalter geschlossen ist, wird die Eingangsspannung V_sp dem Knoten 38 zugeführt, und die Spannung am Knoten 36 ist V_sp plus V_out. Wenn der Schalter 22 offen ist, dann ist die Spannung am Knoten 36 gleich V_sp vermindert um den Spannungsabfall an der Diode 28, oder im wesentlichen V_sp. Die Spannung am Knoten 36 wechselt daher zwischen V_sp und V_sp plus V_out in Abhängigkeit von der Stellung des Schalters 22. Während der Tastverhältnis­ modulation des Schalters 22 mittelt sich die Spannung am Knoten 36 auf V_out. Die Schaltfrequenz des Schalters 22 ist sehr viel höher als die Resonanzfrequenz des Kreises, so daß die Spannung über den Kondensatoren 34 und 40 gleich V_out ist. Die nachfol­ genden Gleichungen beschreiben die idealisierten Verhältnisse zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen und Strömen als Funktion des Tastverhältnisses und des Leistungsumsetzungs­ wirkungsgrads:

wobei "D" das Tastverhältnis des Schalters 22 ist, das zwischen 0 und 1 liegt, und "η" der Wirkungsgrad ist, der einen Nominal­ wert von 95% hat.

Der Solargruppenausgangsstrom I_sp ist im wesentlichen ein kon­ stanter Strom. Durch Umgruppierung der Therme in den Gleichun­ gen (1) und (2) ergibt sich:

Um einen Ausgangsstrombereich zu erhalten, der Null Ampère einschließt, muß der Begrenzer in der Lage sein, mit einem Tastverhältnis von bis zu 100% zu arbeiten. Wenn ein Tast­ verhältnis von 100% eingerichtet ist, was als "gesättigte" Betriebsart bezeichnet wird, dann fließt der gesamte Solar­ gruppenstrom durch den Schalter 22 und die untere Wicklung 26A der gekoppelten Spule 26. Die Solargruppe 14 ist voll­ ständig kurzgeschlossen, und kein Strom erreicht den Be­ grenzerausgang. Wenn der Ausgangsstrom größer als Null sein soll, dann muß das Tastverhältnis gegenüber 100% verringert werden, um eine konstante Ausgangsspannung zu erhalten. In dieser "aktiven" Betriebsart wird die Ausgangsspannung durch Beeinflussung des Tastverhältnisses des Schalters 22 so ge­ regelt, daß die in den Gleichungen (1) und (3) definierten Verhältnisse erfüllt werden. In der aktiven Betriebsart be­ wirkt die dritte Wicklung 26C im Zusammenwirken mit einer zweiten Spule 30 und einem Gleichspannungsblockkondensator 32 eine Unterdrückung der Wellung des Stroms. Während der aktiven Betriebsart ist der in der Wicklung 30 erzeugte Strom gleich und entgegengesetzt zu den Magnetisierungsströmen in 26A (wenn sie erregt wird) und 26B (wenn sie erregt wird). Dieses löscht die Stromwellen, die durch das Schalten her­ vorgerufen werden, so daß I_sp im wesentlichen ein Gleich­ strom ist, wodurch die Pegel von leitungsgeführter und ab­ gestrahlter elektromagnetischer Störwellen sehr niedrig sind. Wenn das Tastverhältnis die Größe 0% erreicht, nimmt der Begrenzer eine "passive" Betriebsart an, in der der Schalter 22 offen bleibt und der gesamte Solargruppenstrom durch die Diode 22 und die obere Wicklung 26B der gekoppelten Spule der Last 18 zufließt. Das Eingangs-/Ausgangs-Verhältnis ist die übliche Verstärkung wie in Gleichung 1. Die Solargruppe weist jedoch einen strombegrenzten Eingang auf. Die Aufgabe des Modulators 20 ist es daher, die Spannung am Eingang in Abhängigkeit vom verlangten Ausgangsstrom zusammenbrechen zu lassen, so daß das Tastverhältnis die Eingangsleistung, die Ausgangsleistung und den Wandlungsverlust miteinander aus­ gleicht.

Claims (7)

1. Raumfahrzeug-Stromquelle (14), die einen im wesentlichen konstanten Strom und eine variable Ausgangsspannung an eine Last (18) liefert mit einem Spannungsbegrenzer (10), der die Stromquelle mit der Last verbindet und eine gekoppelte Spule (26) aufweist, die mehrere Wicklungen, einschließlich wenig­ stens erster und zweiter Wicklungen (26A, 26B) enthält, mit einem Schalter (22), der in seinem einen Schaltzustand den Ge­ samtstrom von der Stromquelle zu der wenigstens ersten Wicklung (26A) leitet und in einer zweiten Schaltstellung den Strom von der Stromquelle durch die zweite Wicklung (26B) zur Last (18) leitet, wobei die Ausgangsspannung der Quelle variiert wird, um die Ausgangsleistung an der Last im wesentlichen gleich der Eingangsleistung von der Stromquelle zu halten.

2. Stromquelle nach Anspruch 1, bei der die gekoppelte Spule eine dritte Wicklung (26C) aufweist, die mit der Stromquelle über eine zweite Spule und einen Gleichspannungsblockkonden­ sator verbunden ist und die dazu dient, die Stromwellung zu unterdrücken, die vom Betrieb des Schalters herrührt.

3. Stromquelle nach Anspruch 1, bei der der Begrenzer einen Modulator zum Steuern des Tastverhältnisses des Schalters auf­ weist, bei dem eine Herabsetzung des Tastverhältnisses in Abhängigkeit von einer Zunahme des Laststroms und eine Steige­ rung des Tastverhältnisses des Schalters in Abhängigkeit von einer Verminderung des Laststroms erfolgt, um an der Last eine im wesentlichen konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.

4. Stromquelle nach Anspruch 1, enthaltend eine Solarpanel­ gruppe.

5. Stromquelle nach Anspruch 4, bei der der Schalter ein Lei­ stungs-MOSFET ist.

6. Spannungsbegrenzer (10) zur Anordnung zwischen einer Last (18) und einer Raumfahrzeug-Stromquelle (14), die eine Solar­ panelgruppe enthält, und der einen im wesentlichen konstanten Strom und eine variable Ausgangsspannung liefert, enthaltend:
einen Leistungsschalter (22), der mit der Stromquelle verbunden ist,
eine gekoppelte Spule (26) mit ersten und zweiten Wicklungen (26A, 26B)
einen Ausgangskondensator (40), der über die Last jeweils einem Ende der ersten und zweiten Wicklungen verbunden ist,
einen Energieübertragungskondensator (34), der zwischen die anderen Enden der ersten und zweiten Wicklungen (26A, 26B) ge­ schaltet ist,
einen Leistungsschalter (22) zum Verbinden des anderen Endes der ersten Wicklung (26A) mit der Stromquelle,
eine Diode (28), die das andere Ende der zweiten Wicklung (26B) mit der Stromquelle verbindet,
einen Modulator zum Vermindern des Tastverhältnisses des Schal­ ters in Abhängigkeit von einer Steigerung des Laststroms und zum Vergrößern des Tastverhältnisses des Schalters in Abhängig­ keit von einer Verminderung des Laststroms, um die Ausgangs­ spannung an der Last im wesentlichen konstant zu halten.

7. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 6, bei dem die gekoppelte Spule weiterhin eine dritte Wicklung (26C) enthält, die mit dem Solarpanel über eine zweite Spule und einen Gleichspannungs­ blockkondensator verbunden ist und dazu dient, die Eingangs­ wellung des Stroms, die vom Betrieb des Leistungsschalters her­ rührt, zu beseitigen.