DE102008033428B4 - Method and arrangement for voltage measurement with galvanic isolation - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Messen der Spannung einer Gleichspannungsquelle (UZK), dadurch gekennzeichnet, dassa) eine Schaltungsanordnung verwendet wird, die mindestens zwei Stromkreise umfasst, die über mindestens zwei Induktivitäten (L1, L2) mit Windungszahlen (N1, N2) miteinander gekoppelt, aber galvanisch voneinander getrennt sind,b) wobei der erste Stromkreis in Reihe geschaltet zur Gleichspannungsquelle (UZK) eine Diode (D1) mit einer Durchlassspannung (UDL1), die in Sperrrichtung zur Gleichspannungsquelle (UZK) angeordnet ist, und die Induktivität (L1) umfasst,c) der zweite Stromkreis die gegensinnige Induktivität (L2) in Reihe geschaltet mit einer Hilfsspannungsquelle (UH) und einem Schaltelement (M2) umfasst,d) eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die das Schaltelement (M2) derart steuert, dass ein Strom (I1) durch die Diode (D1) des ersten Stromkreises fließt unde) eine Messvorrichtung zur indirekten Messung der in der Induktivität (L1) des ersten Stromkreises induzierten Spannung (U1) vorgesehen ist, wobei die Messvorrichtung einen dritten galvanisch getrennten Stromkreis umfasst, der eine Induktivität (L3) umfasst, die mit den Induktivitäten (L1) gleichsinnig und (L2) gegensinnig gekoppelt ist, wobei die Induktivität (L3) des dritten Stromkreises in Reihe geschaltet ist mit einer Diode (D3), die bezogen auf die Induktivitäten (L1) und (L3) gleichsinnig angeordnet ist wie die Diode (D1) des ersten Stromkreises, und einem Widerstand (R3), und eine Vorrichtung, die parallel geschaltet zum Widerstand (R3) den Strom (IR3) misst, der durch den Widerstand (R3) fließt, oder die die Spannung UM = IR3*R3misst, wobei durch die Steuervorrichtung das Schaltelement (M2) zu einem Zeitpunkt (ton) geschlossen wird, zu einem späteren Zeitpunkt (toff) geöffnet wird und zu einem Zeitpunkt zwischen (toff) und (tm) der Strom (IR3), der durch den Widerstand (R3) fließt, oder die Spannung UM gemessen wird, woraus der Wert der zu messenden Spannung (UZK) ermitteln wird zu UZK= (IR3*R3+UDL3) * N1/N3- UDL1.Method for measuring the voltage of a DC voltage source (UZK), characterized in that a) a circuit arrangement is used which comprises at least two circuits which are coupled to one another via at least two inductances (L1, L2) with numbers of turns (N1, N2), but are electrically isolated from one another are separated,b) wherein the first circuit comprises a diode (D1) with a forward voltage (UDL1) connected in series with the direct voltage source (UZK), which is arranged in the reverse direction with respect to the direct voltage source (UZK), and the inductor (L1),c) the second circuit comprises the opposite inductance (L2) connected in series with an auxiliary voltage source (UH) and a switching element (M2),d) a control device is provided which controls the switching element (M2) in such a way that a current (I1) flows through the Diode (D1) of the first circuit flows ande) a measuring device for indirectly measuring the voltage (U1) induced in the inductance (L1) of the first circuit is provided, wherein the measuring device comprises a third galvanically isolated circuit which comprises an inductance (L3) which is coupled in the same direction and (L2) in the opposite direction to the inductances (L1), the inductance (L3) of the third circuit being connected in series with a diode (D3) arranged in the same sense as the diode (D1) of the first circuit with respect to the inductances (L1) and (L3), and a resistor (R3), and a device connected in parallel with the resistor (R3 ) measures the current (IR3) flowing through the resistor (R3), or which measures the voltage UM = IR3*R3, the control device closing the switching element (M2) at a time (ton), at a later time ( toff) is opened and at a point in time between (toff) and (tm) the current (IR3) flowing through the resistor (R3) or the voltage UM is measured, from which the value of the voltage to be measured (UZK) is determined to UZK= (IR3*R3+UDL3 ) * N1/N3- UDL1.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Anordnung zur Spannungsmessung mit galvanischer Trennung, insbesondere im Hochvoltbereich zum Einsatz in Hybrid- und/oder Elektrofahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 6.The invention relates to a method and an arrangement for voltage measurement with galvanic isolation, in particular in the high-voltage range for use in hybrid and/or electric vehicles according to the preamble of claim 1 or 6.
Stand der Technik zur Messung potenzialbehafteter Spannungen und der Übertragung der Messgröße über Potenzialbarrieren ist der Einsatz von Spannungsteilern zur Messung von hohen elektrischen Spannungen mit Teilerverhältnissen von beispielsweise 1000:1.The state of the art for measuring potential-affected voltages and the transmission of the measured variable via potential barriers is the use of voltage dividers for measuring high electrical voltages with divider ratios of, for example, 1000:1.
Der wesentliche Nachteil dieses Messverfahrens liegt darin, dass es aktive Elemente und eine Spannungsquelle auf der Hochvoltseite der Schaltung benötigt.The main disadvantage of this measurement method is that it requires active elements and a voltage source on the high-voltage side of the circuit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren bzw. eine Anordnung zur Spannungsmessung, das bzw. die mit einer geringeren Anzahl an Bauteilen auf der Hochvoltseite auskommt und dabei zuverlässig die Spannung auf der Hochvoltseite ermittelt.The object of the present invention is therefore a method and an arrangement for voltage measurement that manages with a smaller number of components on the high-voltage side and reliably determines the voltage on the high-voltage side.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Anordnung zur Spannungsmessung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.The object is achieved by a method and an arrangement for voltage measurement with the features of claims 1 and 6, respectively. Advantageous developments of the invention result from the dependent claims, with combinations and developments of individual features being conceivable.
Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet eine Schaltungsanordnung, die mindestens zwei Stromkreise umfasst, die über mindestens zwei Induktivitäten mit vorgegebenen Windungszahlen miteinander gekoppelt, aber galvanisch voneinander getrennt sind.The method according to the invention uses a circuit arrangement that includes at least two circuits that are coupled to one another via at least two inductances with a predetermined number of turns, but are electrically isolated from one another.
Die zu messende Gleichspannungsquelle wird an den ersten Stromkreis angeschlossen, der in Serie geschaltet eine Diode in Sperrrichtung zur zu messenden Gleichspannungsquelle und die Induktivität dieses Stromkreises umfasst. Die zu messende Gleichspannungsquelle kann insbesondere eine Gleichspannung im Hochvoltbereich (größer 60 Volt) bereitstellen, in diesem Fall ist der erste Stromkreis der Hochvoltkreis. Die Gleichspannungsquelle wird in diesem Fall als Hochvoltquelle bezeichnet. Die zu messende Gleichspannungsquelle kann auch insbesondere die Spannungsquelle des Zwischenkreises eines Hybrid- und/oder Elektrofahrzeugs sein.The DC voltage source to be measured is connected to the first circuit, which comprises a diode connected in series in the reverse direction to the DC voltage source to be measured and the inductance of this circuit. The DC voltage source to be measured can in particular provide a DC voltage in the high-voltage range (greater than 60 volts); in this case, the first circuit is the high-voltage circuit. In this case, the DC voltage source is referred to as a high-voltage source. The DC voltage source to be measured can also be, in particular, the voltage source of the intermediate circuit of a hybrid and/or electric vehicle.
Der zweite Stromkreis umfasst eine Hilfsspannungsquelle, ein Schaltelement und die Induktivität dieses Stromkreises, die gegensinnig zur Induktivität des Stromkreises angeordnet ist. Das Schaltelement ist vorzugsweise ein Halbleiterschalter, z. B. einem Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Die Hilfsspannungsquelle liefert die Betriebsspannung für das Schaltelement.The second circuit includes an auxiliary voltage source, a switching element and the inductance of this circuit, which is arranged in the opposite direction to the inductance of the circuit. The switching element is preferably a semiconductor switch, e.g. B. a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). The auxiliary voltage source supplies the operating voltage for the switching element.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst eine Steuervorrichtung, die das Schaltelement derart steuert, dass über die Induktivität des zweiten Stromkreises eine Spannung in der Induktivität des ersten Stromkreises induziert wird. The circuit arrangement according to the invention comprises a control device which controls the switching element in such a way that a voltage is induced in the inductance of the first circuit via the inductance of the second circuit.
Diese induzierte Spannung ist dabei so groß, dass ein Strom durch die Diode des ersten Stromkreises fließt. Die Steuervorrichtung kann vorzugsweise aus einem Signalgenerator bestehen, der die Gatespannung für den Transistor bereitstellt.This induced voltage is so large that a current flows through the diode of the first circuit. The control device can preferably consist of a signal generator which provides the gate voltage for the transistor.
Die Schaltungsanordnung umfasst zudem eine Vorrichtung zur indirekten Messung der in der Induktivität des ersten Stromkreises induzierten Spannung. Indirekt heißt, dass die in der Induktivität induzierte Spannung nicht direkt im ersten Stromkreis gemessen wird, da durch die Erfindung gerade aktive Element und eine zusätzliche Spannungsversorgung in diesem Stromkreis vermieden werden sollen, sondern im zweiten oder wahlweise in einem dritten Stromkreis.The circuit arrangement also includes a device for indirectly measuring the voltage induced in the inductance of the first circuit. Indirectly means that the voltage induced in the inductance is not measured directly in the first circuit, since the invention aims to avoid active elements and an additional voltage supply in this circuit, but in the second or optionally in a third circuit.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass es keine aktiven Bauteile und keine zusätzliche Spannungsversorgung im ersten Stromkreis benötigt. Die Anzahl der mit der zu messenden Gleichspannung beaufschlagten Bauteile ist sehr gering. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Zeitpunkt, an dem die Steuervorrichtung eine Messung anstößt frei bestimmt werden kann. Insbesondere bei einer Zwischenkreisspannungsmessung kann die Genauigkeit erhöht werden, indem zu definierten Zeitpunkten gemessen wird, die mit anderen Schaltvorgängen abgestimmt sind.The main advantage of the method according to the invention is that it requires no active components and no additional power supply in the first circuit. The number of components to which the DC voltage to be measured is applied is very small. Another advantage is that the point in time at which the control device triggers a measurement can be freely determined. In the case of an intermediate circuit voltage measurement in particular, the accuracy can be increased by measuring at defined points in time that are coordinated with other switching processes.
Die indirekte Messung der in der Induktivität des ersten Stromkreises induzierten Spannung kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erfolgen, dass die Spannung gemessen wird, die über dem Schaltelement im zweiten Stromkreis abfällt. Dazu ist folgendermaßen vorzugehen: According to a preferred embodiment, the indirect measurement of the voltage induced in the inductance of the first circuit can be carried out by measuring the voltage that drops across the switching element in the second circuit. To do this, proceed as follows:
Zu einem ersten Zeitpunkt wird durch die Steuervorrichtung das Schaltelement geschlossen. Zu einem zweiten Zeitpunkt wird das Schaltelement geöffnet und zu einem noch späteren Zeitpunkt wird die Spannung, die über dem Schaltelement abfällt, mit Hilfe einer Spannungsmessvorrichtung gemessen wird.At a first point in time, the switching element is closed by the control device. At a second point in time, the switching element is opened, and at an even later point in time, the voltage that drops across the switching element is measured using a voltage measuring device.
Durch das Schließen des Schaltelements zum ersten Zeitpunkt fällt praktisch die gesamte Spannung aus der Hilfsspannungsquelle über der Induktivität des zweiten Stromkreises ab. Der Strom, der durch diese Induktivität fließt, steigt linear an. Durch die Induktivität des ersten Stromkreises fließt zu dieser Zeit kein Strom, da die Diode des ersten Stromkreises sperrt.By closing the switching element at the first time, practically the entire voltage from the auxiliary voltage source falls across the Inductance of the second circuit. The current flowing through this inductor increases linearly. At this time, no current flows through the inductance of the first circuit, since the diode of the first circuit is blocked.
Wird nun das Schaltelement zum zweiten Zeitpunkt geöffnet, so polt sich aufgrund des Induktionsgesetzes die Spannung an der Induktivität des zweiten Stromkreises um und steigt betragsmäßig stark an. In der Induktivität des ersten Stromkreises wird durch die induktive Kopplung mit der des zweiten Stromkreises eine Spannung induziert.If the switching element is now opened at the second point in time, the voltage at the inductance of the second circuit reverses polarity due to the law of induction and increases sharply in terms of absolute value. A voltage is induced in the inductance of the first circuit by the inductive coupling with that of the second circuit.
Die in der Induktivität des ersten Stromkreises induzierte Spannung liegt bei der Summe aus der Durchlassspannung der Diode des ersten Stromkreises und der zu messenden Spannung. Da die Durchlassspannung deutlich unterhalb der zu messenden Spannung liegt (typische Werte: 0.7 V und 200 V), entspricht die Spannung an der Induktivität des ersten Stromkreises in etwa der zu messenden Spannung.The voltage induced in the inductance of the first circuit is the sum of the forward voltage of the diode of the first circuit and the voltage to be measured. Since the forward voltage is well below the voltage to be measured (typical values: 0.7 V and 200 V), the voltage at the inductance of the first circuit roughly corresponds to the voltage to be measured.
Während das Schaltelement des zweiten Stromkreises geöffnet ist, wird die Spannung an der Induktivität des ersten Stromkreises entsprechend des Windungszahlverhältnisses der beiden Induktivitäten zurücktransformiert. Dieser Effekt wird auch als Rückschlagspannung bezeichnet. Die Spannung an der Induktivität des zweiten Stromkreises kann durch Messen der Spannung, die am Schaltelement abfällt bestimmt werden, da die Spannung der Hilfsspannungsquelle bekannt ist. Bevorzugt wird die Spannung kurze Zeit nach dem Öffnen des Transistors gemessen, im Falle eines MOS-FET direkt am Drain-Pin. Der Zeitpunkt der Messung ist so zu wählen, dass zu diesem Zeitpunkt durch die Diode des ersten Stromkreises ein Strom fließt.While the switching element of the second circuit is open, the voltage at the inductance of the first circuit is transformed back according to the turns ratio of the two inductances. This effect is also known as kickback voltage. The voltage across the inductance of the second circuit can be determined by measuring the voltage drop across the switching element, since the voltage of the auxiliary voltage source is known. The voltage is preferably measured a short time after the transistor opens, in the case of a MOS-FET directly at the drain pin. The time of the measurement should be selected so that a current is flowing through the diode of the first circuit at this time.
Das elegante Verfahren zur Messung einer potenzialbehafteten Spannung erfordert einen vergleichsweise geringen Aufwand. Über das Windungszahlverhältnis kann Einfluss genommen werden auf die Höhe der Spannung, die am Schaltelement des zweiten Stromkreises abfällt und tatsächlich gemessen wird. Diese Spannung kann deutlich unter der zu messenden Spannung des ersten Stromkreises liegen. Ein weiterer Vorteil ist bei dieser Ausführungsform darin zu sehen, dass kein dritter Stromkreis nötig ist, wodurch Bauteile gespart werden. Das Messsignal ist dafür schwierig zu erfassen.The elegant procedure for measuring a potential-bearing voltage requires comparatively little effort. The turns ratio can be used to influence the magnitude of the voltage that drops across the switching element of the second circuit and is actually measured. This voltage can be well below the voltage to be measured in the first circuit. A further advantage of this embodiment can be seen in the fact that no third circuit is required, which saves on components. The measurement signal is difficult to detect.
In der Praxis ist es häufig zweckmäßig entsprechend einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, zur indirekten Messung der in der Induktivität des ersten Stromkreises induzierten Spannung einen dritten, galvanisch getrennten Stromkreis in die Schaltungsanordnung zu integrieren. Der dritte Stromkreis umfasst eine dritte Induktivität, die gleichsinnig mit der des ersten Stromkreises und gegensinnig mit der des zweiten Stromkreises gekoppelt ist. Der dritte Stromkreis umfasst eine Diode, die bezogen auf die Induktivitäten gleichsinnig angeordnet ist wie die Diode des ersten Stromkreises, einen Widerstand und eine Vorrichtung, die entweder parallel geschaltet zum Widerstand den Strom misst, der durch diesen Widerstand fließt, oder die Spannung misst, die an der Kathode der Diode des dritten Stromkreises anliegt.In practice, it is often expedient, according to a further preferred exemplary embodiment, to integrate a third, galvanically isolated electric circuit into the circuit arrangement for indirectly measuring the voltage induced in the inductance of the first electric circuit. The third circuit includes a third inductor which is co-coupled with that of the first circuit and inversely coupled with that of the second circuit. The third circuit comprises a diode, which is arranged in the same sense as the diode of the first circuit in relation to the inductances, a resistor and a device which either measures the current flowing through this resistor, connected in parallel with the resistor, or measures the voltage which applied to the cathode of the diode of the third circuit.
An der Induktivität dieses dritten Stromkreises, die mit den beiden vorhanden Induktivitäten gekoppelt ist, tritt dann nach dem Öffnen des Schaltelements eine induzierte Spannung auf, die der Spannung an der Induktivität des ersten Stromkreises multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis entspricht. Die Spannung erzeugt im dritten Stromkreis einen Strom, der über eine Diode einem Widerstand zugeführt wird. Der Strom, der durch den Widerstand fließt, wird mit Hilfe einer entsprechenden Vorrichtung gemessen. Um die zu messende Spannung der Gleichspannungsquelle des ersten Stromkreises zu ermitteln, summiert man das Produkt aus gemessenem Strom mit dem Wert des Widerstandes zur Durchlassspannung der Diode des dritten Stromkreises, multipliziert das Ergebnis mit der Windungszahl der ersten Induktivität geteilt durch die Windungszahl der dritten Induktivität und zieht anschließend die Durchlassspannung der Diode des ersten Stromkreises ab.After opening the switching element, an induced voltage then occurs at the inductance of this third circuit, which is coupled to the two existing inductances, which voltage corresponds to the voltage at the inductance of the first circuit multiplied by the transformation ratio. The voltage generates a current in the third circuit, which is fed to a resistor via a diode. The current flowing through the resistor is measured using an appropriate device. In order to determine the voltage to be measured from the DC voltage source of the first circuit, the product of the measured current and the value of the resistance to the forward voltage of the diode of the third circuit are added, the result is multiplied by the number of turns of the first inductor divided by the number of turns of the third inductor and then subtracts the forward voltage of the diode of the first circuit.
Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass das Messen des Stroms keine nennenswerten Schwierigkeiten bereitet. Besonders einfach wird das Verfahren, wenn die Windungszahlen der Induktivitäten sowie die Durchlassspannungen der Dioden des ersten und des dritten Stromkreises jeweils identisch sind. Die zu messende Spannung der Gleichspannungsquelle des ersten Stromkreises entspricht dann dem Produkt aus gemessenem Strom mit dem Wert des Widerstandes im dritten Stromkreis bzw. der gemessenen Spannung (an der Kathode der Diode).The advantage of this embodiment is that measuring the current does not pose any significant difficulties. The method becomes particularly simple if the number of turns of the inductances and the forward voltages of the diodes of the first and third circuits are identical in each case. The voltage to be measured from the DC voltage source of the first circuit then corresponds to the product of the measured current and the value of the resistance in the third circuit or the measured voltage (at the cathode of the diode).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Schaltelement ein Feldeffekttransistor verwendet. Der Drain-Pin des Feldeffekttransistors wird an die Induktivität des zweiten Stromkreises angeschlossen, der Source-Pin an die Masse und der Gate-Pin an einen Signalgenerator, der den Transistor mittels der generierten Gatespannung steuert. In dieser Ausführungsform kann die indirekte Messung der in der Induktivität des ersten Stromkreises induzierten Spannung dadurch erfolgen, dass die Spannung bestimmt wird, die am Drain-Pin anliegt.In a preferred embodiment, a field effect transistor is used as the switching element. The drain pin of the field effect transistor is connected to the inductance of the second circuit, the source pin to ground and the gate pin to a signal generator that controls the transistor using the generated gate voltage. In this embodiment, the indirect measurement of the voltage induced in the inductance of the first circuit can be done by determining the voltage present at the drain pin.
Vorteilhaft kann ein Widerstand in den zweiten Stromkreis eingebracht werden, entweder zwischen der Hilfsspannungsquelle und der Induktivität oder zwischen Source-Pin und Masse. Der Widerstand stabilisiert den Stromanstieg und verhindert, dass die Induktivität des zweiten Stromkreises in Sättigung gelangt.A resistance can advantageously be introduced into the second circuit, either between the auxiliary voltage source and the inductance or between source pin and ground. The resistor stabilizes the current rise and prevents the inductance of the second circuit from saturating.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren bzw. die Anordnung zum Messen höherer Spannungen (> 60 V) verwendet, wie sie insbesondere in Hybrid- und/oder Elektrofahrzeugen auftreten.In a preferred embodiment, the method or the arrangement is used to measure higher voltages (>60 V), such as occur in particular in hybrid and/or electric vehicles.
Bei dem vorgestellten Verfahren wird im Prinzip ein Nebeneffekt (die Rückschlagspannung) dazu verwendet, um eine unbekannte (hohe) Gleichspannung zu messen. Die Messspannung liegt jedoch nicht kontinuierlich an, sondern nur jeweils kurz nach dem Sperren des Schaltelements solange die Diode des ersten Stromkreises leitend ist. Derartige Spannungsverläufe sind aus der Anwendung von Sperrwandlern bekannt. Das Schaltelement und die gekoppelten Induktivitäten bilden von der Funktion her einen Sperrwandler. Hier wird der Sperrwandler jedoch nicht vorrangig zur Erzeugung von festen Spannungen verwendet, sondern mit geringer Leistung betrieben.In principle, the method presented uses a side effect (the kickback voltage) to measure an unknown (high) DC voltage. However, the measurement voltage is not applied continuously, but rather only shortly after the switching element is blocked, as long as the diode of the first circuit is conductive. Such voltage curves are known from the use of flyback converters. In terms of function, the switching element and the coupled inductances form a flyback converter. Here, however, the flyback converter is not primarily used to generate fixed voltages, but is operated with low power.
Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit zwei Stromkreisen. -
2 zeigt den prinzipiellen Spannungs- und Stromverlauf. -
3 zeigt eine Schaltungsanordnung mit drei Stromkreisen. -
4a und4b zeigen Schaltungsanordnungen mit einem zusätzlichen Widerstand im zweiten Stromkreis.
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1 shows a circuit arrangement with two circuits. -
2 shows the basic voltage and current curve. -
3 shows a circuit arrangement with three circuits. -
4a and4b show circuit arrangements with an additional resistance in the second circuit.
Die Schaltungsanordnung in
Der zweite Stromkreis wird von einer Hilfs-Gleichspannungsquelle (UH) gespeist. Die Hilfsspannung (UH) liegt typischerweise deutlich unter der zu messenden Spannung (UZK) des ersten Stromkreises. Sie kann beispielsweise 12 oder 14 Volt betragen. Die Hilfsspannungsquelle (UH) ist in Reihe geschaltet mit der gegensinnigen Induktivität (L2) und einem Schaltelement (M2). Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement (M2) ein MOS-FET. Der Drain-Pin (D) des MOS-FET (M2) ist an die Induktivität (L2) angeschlossen, der Source-Pin (S) an Masse und der Gate-Pin (G) wird über einen Signalgenerator (V4) angesteuert.The second circuit is fed by an auxiliary DC voltage source (U H ). The auxiliary voltage (U H ) is typically well below the voltage to be measured (U ZK ) of the first circuit. It can be 12 or 14 volts, for example. The auxiliary voltage source (U H ) is connected in series with the opposite inductance (L 2 ) and a switching element (M 2 ). In the illustrated embodiment, the switching element (M 2 ) is a MOS-FET. The drain pin (D) of the MOS-FET (M 2 ) is connected to the inductor (L 2 ), the source pin (S) to ground and the gate pin (G) is connected via a signal generator (V 4 ). driven.
Mit dem Einschalten des MOS-FET (M2) zum Zeitpunkt (ton) baut sich in der Induktivität (L2) ein Strom auf, der linear ansteigt. Beim Ausschalten des MOS-FET (M2) zum späteren Zeitpunkt (toff) entsteht eine hohe Spannung (U1) entgegengesetzter Polarität in der Induktivität (L1) des ersten Stromkreises. Diese Spannung führt aufgrund ihrer Polarität dazu, dass die Diode (D1) leitend wird und ein Strom (I1) fließt, so lange (toff<t<tm) bis zum Zeitpunkt (tm), die Diode (D1) wieder sperrt. Bis zu diesem Zeitpunkt (tm) gilt U1 = UZK + UDL1. Die Rücktransformation dieser Spannung (U1) auf die Induktivität (L2) bewirkt dort eine Rückschlagspannung (U2) , die U1*N2/N1 entspricht. Durch Messen von der Spannung UDS = U2 + UH am Drain-Pin (D) des MOS-FET (M2) kann so auf die zu messende Spannung (UZK) rückgeschlossen werden.When the MOS-FET (M 2 ) turns on at time (t on ), a current builds up in the inductance (L 2 ) and increases linearly. When the MOS-FET (M 2 ) is switched off at a later point in time (t off ), a high voltage (U 1 ) of opposite polarity occurs in the inductance (L 1 ) of the first circuit. Due to its polarity, this voltage causes the diode (D 1 ) to become conductive and a current (I 1 ) to flow as long as (t off <t<t m ) until the time (t m ) the diode (D 1 ) blocks again. Up to this point in time (t m ), U 1 =U ZK +U DL1 applies. The inverse transformation of this voltage (U 1 ) on the inductor (L 2 ) causes a kickback voltage (U 2 ) there, which corresponds to U 1 *N 2 /N 1 . By measuring the voltage U DS =U 2 +U H at the drain pin (D) of the MOSFET (M 2 ), conclusions can be drawn about the voltage to be measured (U ZK ).
Dies führt zu einer entsprechenden Absenkung der Spannung (UDS) am Drain-Pin (D), so dass die Hilfsspannung (UH) nunmehr fast ausschließlich über der Induktivität (L2) abfällt (
Durch die Induktivität (L2) beginnt zu diesem Zeitpunkt ein Strom (I2) zu fließen, der linear ansteigt (
Zum Zeitpunkt (toff) schaltet der Signalgenerator die Gatespannung (UGate) aus, der MOS-FET (M2) sperrt. Aufgrund des Induktionsgesetzes polen sich die Spannungen beim Sperren des MOS-FET (M2) an den gekoppelten Induktivitäten (L1,L2) um (
Jetzt wird die Diode (D1) des ersten Stromkreises leitend. Die induzierte Spannung (U1) an der Induktivität (L1) ist gleich der Summe aus der zu messenden Spannung (UZK) und der Durchlassspannung (UDL1) der Diode (D1) . Ein Strom (I1) fließt durch die Diode (D1) (
Gemessen wird in diesem Ausführungsbeispiel die Spannung (UDS) am Drain-Pin (D) des MOS-FET (M2) im zweiten Stromkreis. Diese Spannung (UDS) entspricht der Summe aus der Hilfsspannung (UH) und der Spannung (U2) an der Induktivität (L2) des zweiten Stromkreises.In this exemplary embodiment, the voltage (U DS ) is measured at the drain pin (D) of the MOSFET (M 2 ) in the second circuit. This voltage (U DS ) corresponds to the sum of the auxiliary voltage (U H ) and the voltage (U 2 ) at the inductance (L 2 ) of the second circuit.
Die Spannung (U2) an der Induktivität (L2) des zweiten Stromkreises entspricht aufgrund der Rücktransformation der Spannung (U1 an der Induktivität (L1) des ersten Stromkreises multipliziert mit dem Windungszahlverhältnis der Induktivitäten (L1,L2).The voltage (U 2 ) at the inductance (L 2 ) of the second circuit corresponds to the voltage (U 1 at the inductance (L 1 ) of the first circuit due to the inverse transformation multiplied by the turns ratio of the inductances (L 1 ,L 2 ).
Die zu messende Spannung (UZK) ergibt sich schließlich aus der Formel:
Wenn die Windungszahlen (N1) und (N3) der Induktivitäten (L1) und (L3) des ersten und des dritten Stromkreises identisch sind, vereinfacht sich die Berechnung auf:
Was in der Regel weiter vereinfacht werden kann auf:
BezugszeichenlisteReference List
- UZKUCC
- zu messende GleichspannungsquelleDC voltage source to be measured
- D1D1
- Diode des ersten StromkreisesDiode of the first circuit
- UDL1UDL1
- Durchlassspannung der Diode des ersten StromkreisesForward voltage of the diode of the first circuit
- L1L1
- Induktivität des ersten StromkreisesInductance of the first circuit
- N1N1
- Windungszahl der Induktivität L1 Number of turns of the inductance L 1
- U1U1
- in der Induktivität L1 induzierte Spannungvoltage induced in the inductance L 1
- I1I1
- Strom durch die Induktivität L1 Current through the inductance L 1
- UHuh
- Hilfs-GleichspannungsquelleAuxiliary DC voltage source
- L2L2
- Induktivität des zweiten StromkreisesInductance of the second circuit
- N2N2
- Windungszahl der Induktivität L2 Number of turns of the inductance L 2
- U2U2
- Spannung an der Induktivität L2 Voltage across the inductance L 2
- I1I1
- Strom durch die Induktivität L1 Current through the inductance L 1
- M2M2
- Schaltelementswitching element
- SS
- Source-Pinsource pin
- DD
- Drain-Pindrain pin
- GG
- Gate-Pingate pin
- UDSUSD
- Spannung am Drain-PinVoltage at the drain pin
- V4V4
- Signalgeneratorsignal generator
- UGateUGate
- Gate-Spannunggate voltage
- L3L3
- Induktivität des dritten StromkreisesInductance of the third circuit
- N3N3
- Windungszahl der Induktivität L3 Number of turns of the inductance L 3
- D3D3
- Diode des dritten StromkreisesDiode of the third circuit
- UDL3UDL3
- Durchlassspannung der Diode des 3. StromkreisesForward voltage of the 3rd circuit diode
- R3R3
- WiderstandResistance
- IR3IR3
- Strom durch den Widerstand R3 Current through the resistor R 3
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-
2008
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