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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen AC/DC-Wandler eines elektrischen
Leistungssystems.
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Ein
herkömmliches
Leistungssystemdesign enthält
eine Transformator-Gleichrichter-Einheit („TRU” – Transformer Rectifier Unit)
als eine Hauptgleichstromquelle, deren Ausgangsspannung mit angelegter
Last variiert. Aufgrund der variierenden Natur ihrer Ausgangsspannung
wurde die TRU als für das
Laden von Batterien ungeeignet angesehen, auf die man sich für eine Backup-/Hilfsstromquelle
verläßt. Insbesondere
ermöglicht
die variierende Natur der TRU-Ausgangsspannung
keinen Lademodus mit konstantem Potential oder konstantem Strom.
Zur Behebung dieses Mangels verwenden einige Systeme eine EIN/AUS-Einrichtung, um die
Batterie mit dem TRU-Bus zu verbinden und von diesem zu trennen,
um die Ladeleistung zu verbessern.
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Ein
weiterer herkömmlicher
Ansatz verwendet einen Gleichstromgenerator als Hauptstromquelle,
um eine konstante Ausgangsspannung zu erzeugen. Wenngleich ein derartiger
Gleichstromgenerator geeignet ist, um Batterien mit konstantem Potential zu
laden, kann dieser Ansatz weder den in die Batterie zum Beginn des
Startzyklus fließenden
Strom begrenzen noch Temperaturvariationen kompensieren, die den
Ladezustand („SOC” – State
of Charge) der Batterie stark beeinflussen. Indem die Menge an Erhaltungsladung
nicht gesteuert wird, verursacht der Gleichstromgenerator außerdem,
daß die
Batterie im Lauf der Zeit Elektrolyte verliert.
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Noch
ein weiterer herkömmlicher
Ansatz verwendet als Hauptgleichstromquelle mit einer konstanten
Ausgangsspannung eine geregelte Transformator-Gleichrichter-Einheit („RTRU” – Regulated Transformer
Rectifier Unit). Die RTRU kann Batterien mit konstantem Potential
laden, kann aber weder den in die Batterie fließenden Strom begrenzen, noch Temperaturvariationen
kompensieren. Indem die Menge an Erhaltungsladung nicht gesteuert
wird, verursacht die RTRU außerdem,
daß die
Batterie im Lauf der Zeit Elektrolyte verliert.
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Aufgrund
der obigen Mängel
wird üblicherweise
zusätzlich
zu der Hauptgleichstromquelle zusätzliches Gerät wie etwa
ein separates Batterieladegerät
verwendet. Da die Ladespannung zeitweise hoch sein kann, muß die Batterie
während
des Ladens von dem Hauptgleichstrombus des Leistungssystems getrennt
werden. Dies erfordert spezielle Leistungsbusanordnungen und schränkt die
Verwendung der Batterie als eine Buspräsenz ein, wodurch die Flexibilität und Qualität des Gleichstromleistungssystems
beeinflußt
werden.
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Aus
US-A-5,864,221 ist
eine Multifunktionsvorrichtung zum Regeln von Spannung bekannt,
die über
eine Sammelschiene Elektroden zugeführt und an eine wiederaufladbare
Batterie geliefert wird.
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Die
vorliegende Erfindung befaßt
sich mit diesen Mängeln
herkömmlicher
Leistungssystemdesigns durch Bereitstellen einer Multifunktionsvorrichtung
zum Regeln einer Spannung
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[Lakune]
einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (AC/DC), der eine AC-Versorgungsspannung
empfängt,
die AC-Versorgungsspannung in eine geregelte DC-Spannung umwandelt
und die geregelte DC-Spannung an den DC-Leistungsbus ausgibt, um dadurch die
geregelte Spannung an eine mit dem DC-Leistungsbus verbundene elektrische Last
und an die wiederaufladbare Batterie zu liefern, die ständig mit
dem DC-Leistungsbus verbunden ist; und
einen Leistungscontroller,
der eine von dem AC/DC-Wandler
durchgeführte
Umwandlung als Funktion einer Charakteristik der Batterie steuert.
Die vorliegende Erfindung eignet sich zur Implementierung in einem
Flugzeugleistungssystem, um die innerhalb des Einhaltungsbereichs
des DC-Leistungsbusses ausgegebene Spannung (z. B. zwischen 27,5 und
29,5 Vdc) aufrechtzuerhalten und dabei die Ausgangsspannung zu justieren,
um eine mit dem Bus verbundene Batterie effizient zu laden und/oder
eine mit dem Bus verbundene APU zu starten.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
ein Multifunktions-AC/DC-Wandler eine Stromsteuereinheit, die den
von einer wiederaufladenden Batterie gezogen Strompegel überwacht
und die von der AC/DC-Umwandlungsschaltungsanordnung ausgegebene
Spannung auf der Basis des Ladezustands der Batterie steuert. In
einer ersten Leistungssteuerstufe, bei der die Batterie vollständig oder
fast entladen ist, steuert die Leistungssteuereinheit die ausgegebene
Spannung auf einem relativ niedrigen Pegel (innerhalb des Einhaltungsbereichs
des Leistungssystems), um zu verhindern, daß die Batterie eine ungesteuerte
oder übermäßige Strommenge
zieht. Wenn sich die Batterie leert und ihre innere Impedanz steigt,
gestattet die Leistungssteuereinheit ein Steigen der Ausgangsspannung, wodurch
der zu der Batterie fließende
Strom auf einem adäquaten
Pegel für
effizientes Laden der Batterie gehalten wird. Wenn die Ausgangsspannung
einen Schwellwertpegel erreicht, initiiert die Leistungssteuereinheit
eine zweite Steuerstufe, um die Ausgangsspannung auf dem erhöhten Pegel
aufrechtzuerhalten (z. B. in der Nähe der oberen Einhaltungsgrenze
des DC-Leistungsbusses), so daß sich
die Batterie weiterhin lädt,
wenngleich mit ständig
abnehmendem Strom. Während
dieser zweiten Leistungssteuerstufe steuert die Leistungssteuereinheit bei
einer Implementierung der vorliegenden Erfindung die Ausgangsspannung
als Funktion der Batterietemperatur, so daß die Ausgangsspannung bei
höheren
Batterietemperaturen niedriger und bei niedrigeren Batterietempera turen
höher ist.
Diese Temperaturkompensation verbessert die Effizienz des Batterieladeprozesses.
Wenn der von der Batterie gezogene Strom unter einen Schwellwertpegel
abfällt
(der z. B. anzeigt, daß die
Batterie zu etwa 80% Prozent wieder aufgeladen ist), initiiert die
Leistungssteuereinheit eine dritte Leistungssteuerstufe, um die
Ausgangsspannung auf einem geregelten Nennpegel abzusenken (z. B.
28 Vdc in einer Flugzeug-DC-Bus-Implementierung) um die Ladung der Batterie
aufrechtzuerhalten (d. h. einen Erhaltungsladungsmodus mit konstantem
Potential zu erreichen). Diese dritte Leistungssteuerstufe verhindert
Elektrolytverlust während
der Erhaltungsladung.
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Indem
mehrere Funktionen in eine einzelne Einheit integriert werden, verbessert
der AC/DC-Wandler der vorliegenden Erfindung die Zuverlässigkeit,
weil keine zusätzlichen
auswechselbaren Einheiten („LRU” – Line Replaceable
Units) und assoziierte Schalteinrichtungen erforderlich sind, um die
ladende Batterie mit dem DC-Leistungsbus
zu verbinden und von ihm zu trennen, und erfordert weniger Steuer-
und Leistungsverdrahtung. Weil die wiederaufladende Batterie ständig mit
dem DC-Leistungsbus
verbunden sein kann, ermöglicht
die vorliegende Erfindung zudem unterbrechungsfreie Leistungstransfers
(NBPT – No
Break Power Transfers) in dem DC-Teilsystem während AC-Leistungsunterbrechungen
oder anderen Systemausfällen
und reduziert Gewicht und Kosten des DC-Systems im Vergleich zu
einem System, das ein separates Batterieladegerät erfordert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei
der Lektüre
der folgenden ausführlichen
Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm, das eine beispielhafte Implementierung eines Multifunktions-AC/DC-Wandlers
und seine Integrierung in ein typisches Luft- und Raumfahrt-DC-Teilsystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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2 ein
Blockdiagramm eines Multifunktions-AC/DC-Wandlers gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Diagramm, das die Leistungssteuerstufen veranschaulicht, die von
einem Multifunktions-AC/DC-Wandler
zum Implementieren einer Batterieladesteuersequenz gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung genutzt werden; und
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4 ein
Blockdiagramm einer beispielhaften DC/DC-Wandlerkonfiguration, die als Teil eines Multifunktions-AC/DC-Wandlers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung implementiert ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 veranschaulicht
eine beispielhafte Implementierung eines Multifunktions-AC/DC-Wandlers und
seiner Integration in ein typisches Luft- und Raumfahrt-DC-Teilsystem
gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei der in 1 gezeigten beispielhaften Implementierung
sind ein Multifunktionswandler 100, eine Batterie 200 und
eine Höchststromeinheit 400 mit
einem DC-Leistungsbus 300 verbunden, der einer von mehreren
DC-Leistungsbussen eines Flugzeugleistungsteilsystems sein kann.
Es sollte ohne weiteres verständlich
sein, daß verschiedene
elektrische Lasten und andere Elemente an den DC-Leistungsbus 300 angeschlossen
werden können.
Der Multifunktionswandler 100 empfängt eine Wechselstromeingabe
(z. B. 115 oder 230 Vac) und gibt eine gemäß unten ausführlich erörterten
Prinzipien der vorliegenden Erfindung geregelte Spannung aus. Ein Batteriestromsensor 10 ist
zwischen dem DC-Leistungsbus 300 und der Batterie 200 vorgesehen,
um einen Stromfluß zu
der Batterie 200 zu überwachen. Gleichermaßen ist
ein APU-Stromsensor 20 zwischen den DC-Leistungsbus 300 und
der APU 400 vorgesehen, um einen Stromfluß zu der
APU 400 zu überwachen.
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Der
Multifunktionswandler 100 empfängt die Ausgabe des Batteriestromsensors 10 und
des APU-Stromsensors 20 sowie die Ausgabe eines Temperatursensors 210,
der die Temperatur der Batterie 200 überwacht. Der Multifunktionswandler 100 empfängt außerdem die
Regelpunkt-(„POR” – Point of
Regulation)-Spannung als Anzeige zunehmender/abnehmender Lastpegel
auf dem DC-Leistungsbus 300.
Wie unten ausführlich
beschrieben, steuert der Multifunktionswandler 100 die
Ausgangsspannung so, daß sie
innerhalb des Einhaltungsbereichs des entsprechenden DC-Leistungsteilsystems
liegt (z. B. innerhalb des Bereichs von 27,5 bis 29 Vdc für eine Flugzeugimplementierung),
und justiert dabei die Ausgangsspannung, um die Batterie 200 effizient wieder
aufzuladen und einen Elektrolytverlust zu verhindern. Zudem justiert
der Multifunktionswandler 100 die Ausgangsspannung beim
Starten der APU 400, um den Startstrom der APU 400 auf
einen für
ein effizientes Starten benötigten
Pegel zu begrenzen. Der AC/DC-Wandler 100 kann
die APU 400 unabhängig
starten oder eine Batterie bei dem Startprozeß unterstützen.
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2 ist
ein Blockdiagramm einer Multifunktions-AC/DC-Wandler-100-Konfiguration
gemäß eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 zu sehen,
enthält
der Multifunktionswandler 100: (a) einen Erste-Stufe-AC/DC-Wandler 110;
(b) ein Schaltmodul 120; (c) eine Leistungssteuereinheit 130;
(d) einen Ausgangstransformator 140; (e) und eine Ausgangsgleichrichter-
und -filtereinheit 150. Wie bei einem herkömmlichen
Leistungssystemdesign empfängt
der Erste-Stufe-AC/DC-Wandler eine dreiphasige Wechselspannung (z.
B. 115 oder 230 Vac bei 400 Hz oder einer variablen Frequenz von 360
bis 800 Hz) und konvertiert die 3phasige Wechselspannung in eine
Zwischengleichspannung (z. B. 270 Vdc). Diese anfängliche
AC/DC-Umwandlung kann
durch eine Kombination aus Phasenumwandlungs- und -gleichrichtungsschaltungsanordnung
erfolgen. Beispielsweise kann ein nicht gezeigter 3-Phase-zu-9-Phase-Spartransformator
die eingegebene 3phasige Spannung in eine an einen nicht gezeigten
18-Impuls-Gleichrichter
angeschlossene 9-Phasen-Wechselspannung umwandeln, um die resultierende
9-Phase-Wechselspannung
in Gleichspannung umzuwandeln. Es sollte offensichtlich sein, daß alternative
Konfigurationen verwendet werden können, um die eingegebene 3phasige
Spannung in eine Zwischengleichspannung umzuwandeln. Das Schaltmodul 120 wandelt
die von dem Erste-Stufe-AC/DC-Wandler 110 ausgegebene Gleichspannung
in eine Wechselspannung aufgrund von von der Leistungssteuereinheit 130 ausgegebenen
Schaltansteuersignalen. Das Schaltmodul 120 kann als eine bekannte „H-Brücke"-Konfiguration von
Leistungseinrichtungen implementiert sein, z. B. IGBTs (Insulated
Gate Bipolar Transistors), bei denen zwei IGBT-Paare alternativ
aktiviert werden, um an der Primärwicklung
des Ausgangstransformators 140 eine Wechselspannung zu
erzeugen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt das Schaltsteuermodul 120 eine Wechselspannung mit
einem Effektivpegel („RMS” – Root-Mean-Square),
der von der Leistungssteuereinheit 130 auf der Basis eines
oder mehrerer der folgenden gesteuert wird: (1) Ausgabe des Batteriestromsensors 10;
(2) Ausgabe des Batterietemperatursensors 210; (3) Ausgabe
des APU-Stromsensors 20 und (4) POR-Spannung, die eine
Last an den DC-Leistungsbus 300 anzeigt.
Diese Schaltsteuerung wird unten unter Bezugnahme auf 3 und 4 ausführlicher
erörtert.
Die von dem Schaltmodul 120 ausgegebene Wechselspannung
wird von dem Ausgangstransformator 140 (d. h. einem Step-down-Transformator) in
eine niedrigere Wechselspannung umgewandelt. Die von dem Ausgangstransformator 140 ausgegebene
niedrigere Wechselspannung wird von der Ausgangsgleichrichter- und
-filtereinheit 150 gleichgerichtet und gefiltert, um einen
geregelten Spannungspegel an den DC-Leistungsbus 300 auszugeben.
Die von der Ausgangsgleichrichter- und -filtereinheit 150 ausgegebene
geregelte Spannung wird auch an die Leistungssteuereinheit 130 zurückgekoppelt,
um das Regeln der Spannung auf einen gewünschten Pegel zu unterstützen.
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Als
nächstes
wird die Funktionsweise der Leistungssteuereinheit 130 zum
Erzielen eines effizienten Batterieladens als nächstes unter Bezugnahme auf
das Diagramm von 3 beschrieben, das eine Ausgangsspannung
(durchgezogene Linie) und einen Batterieeingangsstrom (gestrichelte
Linie) nach Messung durch den Batteriestromsensor 10 über einen
Ladezyklus der Batterie 200 darstellt. Wie in 3 gezeigt,
arbeitet die Leistungssteuereinheit 130 dahingehend, drei
Wiederaufladestufen der Batterie 200 zu erzielen und gleichzeitig
die Ausgangsspannung innerhalb des Einhaltungsbereichs des DC-Leistungsbusses
aufrechtzuerhalten (z. B. zwischen 27,5 und 29,5 Vdc). Bei einer
ersten Leistungssteuerstufe, in der die Batterie vollständig oder fast
entladen ist, steuert die Leistungssteuereinheit 130 die
Ausgangsspannung auf einen relativ niedrigen Pegel (innerhalb des
Einhaltungsbereichs des Leistungssystems), der einen konstanten
begrenzten Stromfluß in
die Batterie 200 aufrechterhält. Diese Leistungssteuerstufe
verhindert, daß die
Batterie 200 eine ungesteuerte oder übermäßige Strommenge zieht, was
die Batterie beschädigen
oder den Wandler 100 überlasten
könnte.
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Während die
Batterie 200 lädt
und ihre innere Impedanz steigt, gestattet die Leistungssteuereinheit 130,
daß die
Ausgangsspannung steigt, wodurch der zur Batterie 200 fließende Strom
auf einem konstanten Pegel gehalten wird. Wenn die Ausgangsspannung
einen maximalen Schwellwertpegel erreicht, zum Beispiel gerade unter
der oberen Einhaltungsgrenze des DC-Leistungsbusses, leitet die Leistungssteuereinheit 130 eine
zweite Steuerstufe ein, um die Ausgangsspannung konstant bei oder
in der Nähe
der maximalen Wandlerausgangsspannung zu halten, so daß die Batterie 200 weiter
lädt, wenn
auch mit ständig
abnehmendem Strom. Während
dieser zweiten Steuerstufe nimmt der Ladestrom in die Batterie 200 aufgrund
des Anstiegs bei der internen Batterieimpedanz ständig ab.
Während dieser
zweiten Leistungssteuerstufe steuert die Leistungssteuereinheit 130 bei
einer Implementierung der vorliegenden Erfindung die Ausgangsspannung als
Funktion der Batterietemperatur, um den Batterieladeprozeß zu optimieren,
so daß die
Ausgangsspannung für
höhere
Batterietemperaturen gesenkt und für niedrigere Batterietemperaturen
erhöht
wird. Diese Temperaturkompensation verbessert die Batterieladeeffizienz.
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Wenn
als letzter Punkt der von der Batterie gezogene Strom unter einen
Schwellwertpegel abfällt
(der zum Beispiel anzeigt, daß die
Batterie zu etwa 80% Prozent wieder aufgeladen ist), initiiert die Leistungssteuereinheit 130 eine
dritte Leistungssteuerstufe, um die Ausgangsspannung auf einen regulierten
Nennpegel abzusenken (z. B. 28 Vdc in einer Flugzeug-DC-Bus-Implementierung),
um eine Erhaltungsladung der Batterie vorzunehmen (d. h. einen Erhaltungslademodus
mit konstantem Potential zu erzielen). Dieser Spannungspegel liegt
unter dem während
der zweiten Steuerstufe verwendeten, um den Elektrolytverlust zu
minimieren. Während
dieser Stufe der Erhaltungsladung mit konstanter Spannung wird der
Ladstrom in die Batterie 200 auf einem sehr niedrigen Pegel
gehalten (z. B. 1 Ampere oder weniger). Durch das Verfolgen von Änderungen
beim Batteriestrom und der Ausgangsspannung des Wandlers 100 im
Lauf der Zeit kann die Leistungssteuereinheit 130 innerhalb
gewisser Grenzen den Pegel der Batterieladung bestimmen und ein
Signal ausgeben, das den geschätzten
Ladezustand der Batterie anzeigt. Beispielsweise kann die Leistungssteuereinheit 130 bei
einer Flugzeugimplementierung ein Signal an das Flugdeck ausgeben,
um die Bereitschaft der Batterie 200 für den Flug anzuzeigen.
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Beim
Steuern der Ausgangsspannung des Wandlers 100 stellt die
Leistungssteuereinheit 130 sicher, daß die Ausgangsspannung innerhalb
eines Bereichs aufrechterhalten wird, die den Anforderungen des
für die
Anwendung verwendeten Leistungsqualitätsstandards entspricht. Dieser
Spannungspegel ermöglicht
es der Batterie 200, ständig
mit dem DC-Leistungsbus 300 verbunden zu sein. Somit steht die
Batterie 200 während
einer AC-Leistungsunterbrechung oder anderen Systemausfällen ständig zur Verfügung. Die
oben beschriebenen Batterieladestufen können in der Leistungssteuereinheit 130 in
Form einer eigenen integrierten Schaltungskarte („IC") implementiert werden
und können
mit Hardware, Software oder einer Kombination aus Hardware und Software
implementiert werden. Zum Optimieren des Ladeprozesses kann die
angelegte Spannung hinsichtlich Temperatur kompensiert werden, d.
h. niedriger für
höhere
Batterietemperaturen und höher,
wenn niedrigere Batterietemperaturen gemessen werden.
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4 zeigt
eine beispielhafte Konfiguration für die Leistungssteuereinheit 130,
das Schaltmodul 120, den Ausgangstransformator 140 und
die Ausgangsgleichrichter- und -filtereinheit 150. Wie
in 4 gezeigt, enthält die Leistungssteuereinheit 130 eine
Impulsbreitenmodulationseinheit („PWM” – Pulse Width Modulation) 132,
die ein Maß der POR-Spannung,
Strommessungen für
die Batterie 200 und APU 400, Temperatur der Batterie 200 und ein
Maß der
Ausgangsspannung des Wandlers 100 erhält. Die PWM-Einheit 132 erzeugt
eine Sequenz von Impulsen, deren Breite je nach mindestens einer Charakteristik
der Batterie 200 variiert wird (z. B. in Abhängigkeit
von dem Batterieladezustand). Die Impulsbreite kann weiterhin justiert
werden, um Änderungen
bei der Last zu berücksichtigen,
die in der POR-Spannung erscheinen, und einen Anlaßzustand
der APU 400 zu berücksichtigen.
Die PWM-Einheit 132 gibt
das erzeugte PWM-Signal an den Gatetreiber 134 aus, der
die Schalter des Schaltmoduls 120 ansteuert.
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Wie
in 4 zu sehen, ist das Schaltmodul 120 gemäß einer
Implementierung der vorliegenden Erfindung eine herkömmliche
H-Brücken-Konfiguration
aus Leistungseinrichtungen, bei denen es sich bei der in 4 gezeigten
beispielhaften Implementierung um n-Kanal-IGBTs handelt. Das in 4 gezeigte
Schaltmodul 120 enthält
ein erstes, zweites, drittes und viertes IGBT-Modul 122, 124, 126 und 128,
jeweils aus einem IGBT und einer antiparallelen Diode gebildet,
wobei die Anode der antiparallelen Diode mit dem Emitter des entsprechenden
IGBT verbunden ist und die Kathode mit dem Kollektor des entsprechenden
IGBT verbunden ist. Die Gateelektroden des ersten, zweiten, dritten
und vierten IGBT-Moduls 122, 124, 126 und 128 sind
so geschaltet, daß sie
eine Ausgabe des Gatetreibers 134 empfangen. Das erste
IGBT-Modul 122 und das zweite IGBT-Modul 124 (diagonal
positioniert) teilen sich eine gemeinsame Verbindung zu dem Gatetreiber 134, wodurch
ein erstes IGBT-Modulpaar gebildet wird, und das dritte IGBT-Modul 126 und
das vierte IGBT-Modul 128 (diagonal positioniert) teilen
sich eine gemeinsame Verbindung zu dem Gatetreiber 134, wodurch
ein zweites IGBT-Modulpaar gebildet wird. Die von dem Gatetreiber 134 an
die IGBT-Modulpaare
ausgegebenen PWM-Schaltsignale sind so versetzt, daß die IGBT-Modulpaare
abwechselnd EIN/AUS schalten, wodurch an der Primärwicklung des Transformators 140,
der in der beispielhaften Konfiguration von 4 ein Transformator
mit Mittenabgriff ist, eine Wechselspannung erzeugt wird.
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Wie
in 4 gezeigt, ist der Kollektor des ersten IGBT-Moduls 122 mit
dem (+)-Ausgang des Erste-Stufe-AC/DC-Wandlers 110 verbunden.
Gleichermaßen
ist der Kollektor des vierten IGBT-Moduls 128 mit dem (+)-Ausgang des Erste-Stufe-AC/DC-Wandlers 110 verbunden.
Der Emitter des ersten IGBT-Moduls 122 ist mit dem Kollektor
des dritten IGBT-Moduls 126 und mit einer ersten Seite der
Primärwicklung
des Ausgangstransformators, 140 verbunden. Der Emitter
des vierten IGBT-Moduls 128 ist mit dem Kollektor des zweiten
IGBT-Moduls 124 und mit einer zweiten Seite der Primärwicklung des
Ausgangstransformators 140 verbunden. Der Emitter des dritten
IGBT-Moduls 126 und der Emitter des zweiten IGBT-Moduls 124 sind
mit dem (–)-Ausgang
des Erste-Stufe-AC/DC-Wandlers 110 verbunden. Durch abwechselndes
Aktivieren von zwei Schaltmodulpaaren, die von dem ersten und zweiten IGBT-Modul 122, 124 gebildet
werden, beziehungsweise dem dritten und vierten IGBT-Modul 126, 128 bewirkt
der Gatetreiber 134, daß das Schaltmodul 120 an
der Primärwicklung
des Ausgangstransformators 140 eine Wechselspannung erzeugt.
Der RMS-Wert dieser Wechselspannung wird von der Impulsbreite der
von dem Gatetreiber 134 ausgegebenen Ansteuersignale beeinflußt, die
als Funktion von mindestens einem der folgenden geändert wird:
Batterieladecharakteristiken, Batterietemperatur, APU-Startzustand
und POR-Spannung gemäß Prinzipien
der vorliegenden Erfindung.
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Wie
weiter in 4 gezeigt, enthält die Ausgangsgleichrichter-
und -filtereinheit 150 ein Paar Dioden 152a, 152b,
jeweils mit einem Ende der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators 140 verbunden,
um die transformierte Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln.
Die Ausgangsgleichrichter- und -filterein heit 150 enthält weiterhin
eine zwischen den Ausgang des Paares von Dioden 152a, 152b und
den Ausgang der Ausgangsgleichrichter- und -filtereinheit 150 geschaltete
Induktionsspule 154 und eine zwischen das Ausgangsende
der Induktionsspule 154 und einem negativen Anschluß der Konverteranordnung
geschalteten Kondensator 156, der als eine geerdete Verbindung
in der Implementierung von 4 gezeigt
ist. Diese Anordnung aus der Induktionsspule 154 und dem
Kondensator 156 filtert die aus dem Paar von Dioden 152a, 152b resultierende
Gleichspannung. Es ist zu erkennen, daß verschiedene alternative
Anordnungen für
die Ausgangsgleichrichter- und -filtereinheit 150 geeignet
sein können.
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Wenngleich
die Funktionsweise der Leistungssteuereinheit 130 oben
auf der Basis von Wiederaufladecharakteristiken der Batterie 200 erörtert worden
ist, kann die Leistungssteuereinheit 130 auch ständig den
von der APU 400 gezogenen Strom überwachen (wie in 2 gezeigt).
Bei Verwendung in einer APU-Startanwendung
begrenzt die Leistungssteuereinheit 130 den von der APU 400 gezogenen
Anlaßstrom
auf einen Wert, der für
den Wandler 110 geeignet ist, um die APU 400 unabhängig zu starten
oder die APU 400 in Verbindung mit einer Batterie zu starten.
Wie weiter in 2 gezeigt, überwacht die Leistungssteuereinheit 130 ständig die POR-Spannung,
um eine Ausgangsspannung als eine Funktion von Last zu regeln. Eine
erhöhte
Last auf dem DC-Leistungsbus 300 verursacht, daß in dem
Erste-Stufe-AC/DC-Wandler 110 höhere Verluste auftreten, was
zu einer niedrigeren, an den Ausgangstransformator 140 angelegten
RMS-Spannung führt.
Somit justiert die Leistungssteuereinheit 130 die Impulsbreite
für die
zu dem Schaltmodul 120 ausgegebenen Schaltansteuersignale
auf der Basis von Lastpegeln, um die gewünschte Ausgangsspannung des
Wandlers 100 aufrechtzuerhalten.
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Indem
mehrere Funktionen in eine einzelne Einheit integriert werden, verbessert
der AC/DC-Wandler 100 der vorliegenden Erfindung die Zuverlässigkeit,
weil keine zusätzlichen
auswechselbaren Einheiten („LRU” – Line Replaceable
Units) und assoziierte Schalteinrichtungen erforderlich sind, um
die ladende Batterie 200 mit dem DC-Leistungsbus 300 zu
verbinden und von ihm zu trennen, und erfordert weniger Steuer-
und Leistungsverdrahtung. Weil die wiederaufladende Batterie 200 ständig mit dem
DC-Leistungsbus 300 verbunden sein kann, ermöglichen
Prinzipien der vorliegenden Erfindung zudem unterbrechungsfreie
Leistungstransfers (NBPT – No
Break Power Transfers) in dem DC-Teilsystem während AC-Leistungsunterbrechungen
oder anderen Systemausfällen
und reduziert Gewicht und Kosten des DC-Systems im Vergleich zu
einem System, das ein separates Batterieladegerät erfordert.