DE10122461A1 - Bidirectional push pull DC to DC converter has controlled switching to reduce loading - Google Patents
Bidirectional push pull DC to DC converter has controlled switching to reduce loadingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Gegentaktwandler, insbesondere einen bi
direktionalen DC/DC-Gegentaktwandler, mit
The invention relates to a push-pull converter, in particular a bi-directional DC / DC push-pull converter
- a) einem potentialtrennenden Transformator,a) a potential isolating transformer,
- b) einer niedervoltseitigen Mittelpunktschaltung mit mindestens zwei Synchrongleichrichtern,b) a low-voltage center circuit with at least two synchronous rectifiers,
- c) hochvoltseitigen Schaltmitteln,c) high-voltage switching means,
- d) Steuerungsmitteln zur synchronisierten Steuerung der Schaltmittel und der Synchrongleichrichter,d) control means for synchronized control of the Switching means and the synchronous rectifier,
- e) ersten hochvoltseitigen und zweiten niedervoltseitigen Glättungsmitteln, sowiee) first high-voltage side and second low-voltage side Smoothing agents, as well
- f) mindestens einer energiespeichernden Drossel.f) at least one energy-storing choke.
Aus der DE 198 29 777 A1 ist ein bidirektionaler DC/DC-Gegentakt wandler bekannt, der abwechselnd in einer ersten Energieflußrichtung als Hochsetzsteller und in einer zweiten Energieflußrichtung als Tiefsetzstel ler zu betreiben ist. Eine Potentialtrennung zwischen der Niedervoltseite und der Hochvoltseite des Gegentaktwandlers erfolgt mittels einer ma gnetischen Verbundeinheit, die außer einer Transformatorfunktion auch eine Energiespeicherfunktion hat. Der Gegentaktwandler arbeitet in bei den Energieflußrichtungen als Gegentaktwandler. Der DC/DC-Gegen taktwandler ist beispielsweise in Kraftfahrzeugen mit brennstoffzellenge speistem Elektroantrieb einsetzbar und weist den Vorteil auf, daß er auf grund der Verwendung nur eines induktiven Bauelements, nämlich der magnetischen Verbundeinheit, äußerst einfach aufgebaut ist.DE 198 29 777 A1 discloses a bidirectional DC / DC push-pull converter known, which alternately in a first energy flow direction as Step-up converter and in a second energy flow direction as step-down converter is to be operated. A potential separation between the low voltage side and the high-voltage side of the push-pull converter takes place by means of a ma gnetic compound unit, which in addition to a transformer function has an energy storage function. The push-pull converter works in at the energy flow directions as push-pull converters. The DC / DC counter Clock converter is, for example, in motor vehicles with a fuel cell fed electric drive can be used and has the advantage that it due to the use of only one inductive component, namely the magnetic composite unit, is extremely simple.
Auf der Hochvoltseite weist der Gegentaktwandler eine Brückenschaltung auf, über die die magnetische Verbundeinheit im Gegentakt geschaltet werden kann. Die Niedervoltseite ist als Mittelpunktschaltung mit MOS- FETs als Synchrongleichrichter ausgebildet. Hierfür umfaßt die magneti sche Verbundeinheit des Gegentaktwandlers zwei in Reihe geschaltete Wicklungen, an deren Verbindungsstelle eine Mittelanzapfung und an deren Außenkontakten jeweils ein Synchrongleichrichter vorgesehen ist.The push-pull converter has a bridge circuit on the high-voltage side on, via which the magnetic composite unit switched in push-pull can be. The low voltage side is a center point circuit with MOS FETs designed as synchronous rectifiers. For this, the magneti cal composite unit of the push-pull converter two series connected Windings, at their connection point a center tap and whose external contacts each have a synchronous rectifier.
Wird dieser vorbekannte Gegentaktwandler als Tiefsetzsteller betrieben, sind die Schaltvorgänge der Brückenschaltung und der Synchrongleich richter derart synchronisiert, daß jeweils einer der Synchrongleichrichter genau für die Dauer eingeschaltet und somit leitend ist, für die eines der Schaltelementpaare der Brückenschaltung ausgeschaltet ist.If this known push-pull converter is operated as a buck converter, are the switching processes of the bridge circuit and the synchronous judge synchronized so that one of the synchronous rectifiers is switched on for exactly the duration and is therefore conductive for which one of the Switching element pairs of the bridge circuit is switched off.
Dabei besteht das Problem, daß zum Zeitpunkt des Einschaltens eines Schaltelementpaares der entgegengesetzt synchron betriebene Syn chrongleichrichter aufgrund einer ihm immanenten Ausschaltverzögerung noch nicht ausgeschaltet ist, obwohl am Steuerungsgate des Synchron gleichrichters bereits das Signal zum Ausschalten anliegt. Hierdurch ent steht eine Kurzschlußbedingung, die einen Erwärmungsstreß und somit einen vermindert sicheren Betrieb der Gleichrichterelemente bewirkt.The problem is that at the time of switching on a Switching element pair of the opposite synchronously operated syn chrome rectifier due to an inherent switch-off delay is not yet switched off, although on the control gate of the synchron rectifier already has the signal to turn off. This ent stands a short-circuit condition that a heating stress and thus reduces safe operation of the rectifier elements.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ge gentaktwandler der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß Schaltverluste und eine verminderte Betriebssicherheit der Syn chrongleichrichter unter Beibehaltung eines einfachen Aufbaus des Ge gentaktwandlers vermieden werden.Thus, the present invention has for its object a Ge to further develop genetic converter of the type mentioned at the beginning, that switching losses and reduced operational reliability of the syn chrome rectifier while maintaining a simple structure of the Ge gene clock converter can be avoided.
Gelöst wird diese Aufgabe durch Mittel zum Verzögern der Einschaltzeit punkte der hochvoltseitigen Schaltelemente gegenüber den Ausschalt zeitpunkten der korrespondierenden Synchrongleichrichter. Hiermit wird ermöglicht, daß der Zeitpunkt des Einschaltens des Transformators um eine Dauer t, die der Ausschaltverzögerung der Synchrongleichrichter entspricht, verzögert wird, so daß die Beaufschlagung mit der nieder voltseitigen Spannung erst dann erfolgt, wenn der jeweils auszuschal tende Synchrongleichrichter tatsächlich geschlossen ist.This task is solved by means of delaying the switch-on time points of the high-voltage switching elements opposite the switch-off times of the corresponding synchronous rectifiers. Hereby will enables the time of turning on the transformer at a duration t that of the switch-off delay of the synchronous rectifier corresponds, is delayed, so that the application of the low The voltage on the voltage side only occurs when the shutter is switched off synchronous rectifier is actually closed.
Demgegenüber werden die Ausschaltzeitpunkte der hochvoltseitigen Schaltelemente gegenüber den Einschaltzeitpunkten der jeweils korres pondierenden Synchrongleichrichter vorzugsweise nicht verzögert, so daß beispielsweise eine Überstromabschaltung unverzögert erfolgen kann.In contrast, the switch-off times of the high-voltage side Switching elements compared to the times when the corres ponding synchronous rectifier preferably not delayed, so that, for example, an overcurrent shutdown is instantaneous can.
In einer besonderes einfachen und bevorzugten Ausgestaltung der Erfin dung weist der Gegentaktwandler mindestens ein Verzögerungsglied so wie mindestens zwei UND-Gatter auf, wobei am Verzögerungsglied ein CLOCK-Signal anliegt, an den UND-Gattern der negierte Signalausgang des Verzögerungsgliedes sowie jeweils ein Schaltsignal zum Schalten je weils mindestens eines Schaltelements anliegen und die Ausgänge der UND-Gatter mit den zu steuernden Schaltelementen verbunden sind.In a particularly simple and preferred embodiment of the Erfin the push-pull converter has at least one delay element like at least two AND gates, with one on the delay element CLOCK signal is present, the negated signal output on the AND gates of the delay element and a switching signal for switching each because at least one switching element is present and the outputs of the AND gates are connected to the switching elements to be controlled.
Insbesondere können dabei die Schaltsignale negiert werden und die ne gierten Schaltsignale zur Steuerung der jeweils zu schaltenden Syn chrongleichrichter verwendet werden.In particular, the switching signals can be negated and the ne gated switching signals to control the respective syn chrome rectifier can be used.
Der Grundgedanke bei dieser Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß im Tiefsetzstellerbetrieb des Gegentaktwandlers das negierte Basis einschaltsignal für die hochvoltseitigen Schaltelemente das Ausschaltsi gnal für die korrespondierenden Synchrongleichrichter ist und insofern die Basiseinschaltdauer für das Basiseinschaltsignal der Schaltelemente beibehalten werden sollte. Daher wird es durch eine nachgeordnete Si gnalbearbeitung derart zum Einschaltsignal für einen oder mehrere der hochvoltseitigen Schaltelemente modifiziert, daß der Signalpegel erst zu einem verzögerten Einschaltzeitpunkt wechselt.The basic idea in this embodiment of the invention is that in the step-down converter operation of the push-pull converter, the negated base switch-on signal for the high-voltage switching elements the switch-off is a signal for the corresponding synchronous rectifiers and in this respect the basic duty cycle for the basic switch-on signal of the switching elements should be maintained. It is therefore replaced by a subordinate Si Signal processing in this way to the switch-on signal for one or more of the high-voltage side switching elements modified that the signal level is only too a delayed switch-on time changes.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß ein her kömmlicher Gegentaktwandler, wie er bereits aus der zuvor zitierten DE 198 29 777 A1 bekannt ist, mit einfachen Mitteln durch Ergänzung der Steuerungseinheit erfindungsgemäß verbessert werden kann, ohne daß Eingriffe in die bestehende Steuerung notwendig werden.Another advantage of this embodiment is that a ago conventional push-pull converter, as he already from the previously cited DE 198 29 777 A1 is known, with simple means by supplementing the Control unit can be improved according to the invention without Interventions in the existing control system become necessary.
Der erfindungsgemäße Gegentaktwandler kann dann besonders kompakt ausgeführt werden, wenn der Transformator und die energiespeichernde Drossel in einer magnetischen Verbundeinheit ausgebildet sind, die einen Eisenkern mit mindestens einem luftspaltbehafteten, magnetischen Kreis zur Realisierung einer Energiespeicherfunktion und parallel dazu minde stens einen luftspaltlosen, magnetischen Kreis zur Realisierung der Transformatorfunktion aufweist. Mögliche im Rahmen der vorliegenden Erfindung für einen AC/DC- oder einen DC/DC-Gegentaktwandler ver wendbare magnetische Verbundeinheiten sind unter anderem in DE 195 42 357 A1 und in DE 198 29 777 A1 beschrieben.The push-pull converter according to the invention can then be particularly compact run when the transformer and the energy storage Choke are formed in a magnetic composite unit, the one Iron core with at least one magnetic circuit with air gaps to realize an energy storage function and at the same time minde at least an air gap - free, magnetic circuit for realizing the Has transformer function. Possible within the present Invention for an AC / DC or a DC / DC push-pull converter ver reversible magnetic compound units are among others in DE 195 42 357 A1 and described in DE 198 29 777 A1.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von die Funktionsweise darstel lenden Zeichnungen eines hierfür beispielhaften bidirektionalen DC/DC- Gegentaktwandlers beschrieben.In the following the invention based on the mode of operation lend drawings of a bidirectional DC / DC Push-pull converter described.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen bidirektionalen DC/DC-Gegentaktwandler, Fig. 1 shows a circuit arrangement of the invention for a bi-directional DC / DC push-pull converter,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäß modifi zierten Steuerungseinheit und Fig. 2 is a schematic diagram of a control unit modified according to the invention and
Fig. 3 Stromverläufe im Tiefsetzstellerbetrieb. Fig. 3 current waveforms in buck converter operation.
Der in Fig. 1 dargestellte bidirektionale DC/DC-Gegentaktwandler weist auf seiner Hochvoltseite H eine zu einer an U1 anliegenden Spannungs quelle bzw. Last und einem Glättungskondensator C1 parallel geschaltete Brückenschaltung S1, S2, S3, S4 auf, die mit den Außenpolen zweier in Reihe geschalteter Wicklungen W1, W2 einer magnetischen Verbundein heit T1 verbunden ist.The bidirectional DC / DC push-pull converter shown in Fig. 1 has on its high-voltage side H a bridge circuit S1, S2, S3, S4 connected in parallel to a voltage source or load applied to U1 and a smoothing capacitor C1, which with the outer poles of two in A series of switched windings W1, W2 of a magnetic composite unit T1 is connected.
Diese Wicklungen W1, W2 sind in der magnetischen Verbundeinheit T1 über einen Eisenkern mit zwei niedervoltseitigen Wicklungen W3, W4 verbunden, wobei der Eisenkern einen luftspaltbehafteten Kreis zur Rea lisierung einer Energiespeicherfunktion und parallel dazu einen luftspalt losen magnetischen Kreis zur Realisierung einer Transformatorfunktion aufweist. Jeweils eine der niedervoltseitigen Wicklung W3, W4 ist zu sammen mit jeweils einer der hochvoltseitigen Wicklungen W1, W2 auf einem luftspaltlosen Schenkel des Eisenkerns angeordnet.These windings W1, W2 are in the magnetic compound unit T1 via an iron core with two low-voltage windings W3, W4 connected, the iron core forming an air gap with the Rea lization of an energy storage function and in parallel an air gap loose magnetic circuit to implement a transformer function having. One of the low-voltage winding W3, W4 is closed together with one of the high-voltage windings W1, W2 an air gap-free leg of the iron core arranged.
Die niedervoltseitigen Wicklungen W3, W4 sind ebenso in Reihe geschal tet, wobei an deren Verbindungsstelle eine Mittelanzapfung herausge führt ist. An den Außenpolen der niedervoltseitigen Wicklungen W3, W4 sind Synchrongleichrichter S5, S6 vorgesehen, über die jede der nieder voltseitigen Wicklungen W3, W4 mit einem Glättungskondensator C2 und einer an U2 anliegenden Last bzw. Spannungsquelle parallel geschaltet ist. The low-voltage windings W3, W4 are also formed in series tet, with a tap at the center leads is. On the outer poles of the low-voltage windings W3, W4 Synchronous rectifiers S5, S6 are provided, via which each of the lower voltside windings W3, W4 with a smoothing capacitor C2 and a load or voltage source connected to U2 connected in parallel is.
Die Synchrongleichrichter S5, S6 werden jeweils durch einen MOSFET S5, S6, die Schaltelemente der Brückenschaltung S1, S2, S3, S4 jeweils durch MOSFETs oder wahlweise alternative Schalter, z. B. durch IGBTs, gebildet.The synchronous rectifiers S5, S6 are each by a MOSFET S5, S6, the switching elements of the bridge circuit S1, S2, S3, S4, respectively by MOSFETs or alternatively alternative switches, e.g. B. by IGBTs, educated.
Die Brückenschaltung sowie die Synchrongleichrichter S5, S6 werden durch eine Steuereinheit SE synchronisiert geschaltet.The bridge circuit and the synchronous rectifiers S5, S6 are switched synchronized by a control unit SE.
Im Tiefsetzstellerbetrieb werden die Transistoren S1, S2, S3, S4 der Brückenschaltung, wie den in Fig. 2 abgebildeten Schaltzuständen zu entnehmen ist, auf der Basis eines Taktimpulses (Clock) betätigt, wobei ein erster Taktimpuls ein erstes Einschaltsignal aS1/S4 zum Einschalten eines ersten Transistorenpaars S1, S4 und der folgende Taktimpuls ein zweites Einschaltsignal bS2/S3 zum Einschalten eines zweiten Transisto renpaars S2/S3 für jeweils eine gleiche Dauer t bewirkt und sich die Dauer der Einschaltsignale aS1/S4, bS2/S3 nicht überlappt.In buck converter operation, the transistors S1, S2, S3, S4 of the bridge circuit, as can be seen from the switching states shown in FIG. 2, are actuated on the basis of a clock pulse (clock), a first clock pulse generating a first switch-on signal a S1 / S4 for switching on a first transistor pair S1, S4 and the following clock pulse causes a second switch-on signal b S2 / S3 to switch on a second transistor pair S2 / S3 for the same duration t and the duration of the switch-on signals a S1 / S4 , b S2 / S3 does not overlap ,
Für die Dauer t des ersten Einschaltsignals aS1/S4 ist der Transistor S5 des Synchrongleichrichters S5 aufgrund eines entsprechend negierten Schaltsignals cS5 ausgeschaltet. Dementsprechend ist der Transistor S6 des Synchrongleichrichters S6 aufgrund eines entsprechend negierten Schaltsignals dS6 für die Dauer t des zweiten Einschaltsignals bS2/S3 aus geschaltet.For the duration t of the first switch-on signal a S1 / S4 , the transistor S5 of the synchronous rectifier S5 is switched off on the basis of a correspondingly negated switching signal c S5 . Correspondingly, the transistor S6 of the synchronous rectifier S6 is switched off due to a correspondingly negated switching signal d S6 for the duration t of the second switch-on signal b S2 / S3 .
Beide Synchrongleichrichter S5, S6 sind für jeweils die Dauer t1 einge schaltet. Allerdings unterliegen die Synchrongleichrichter S5, S6 einer Ausschaltverzögerung. Diese Ausschaltverzögerung bewirkt, daß die Synchrongleichrichter noch für eine kurze Dauer t2 leitend sind, nach dem das jeweils negierte Schaltsignal cS5, dS6 niedrig ist. Somit fließt durch die Synchrongleichrichter S5, S6 für die Dauer t1 + t2 ein Strom, wie in Zeile eIS5 beispielhaft für den Synchrongleichrichter S5 dargestellt ist.Both synchronous rectifiers S5, S6 are switched on for the duration t1. However, the synchronous rectifiers S5, S6 are subject to a switch-off delay. This switch-off delay causes the synchronous rectifiers to remain conductive for a short period t2, after which the negated switching signal c S5 , d S6 is low. Thus, a current flows through the synchronous rectifiers S5, S6 for the duration t1 + t2, as shown in line e IS5 as an example for the synchronous rectifier S5.
Um nun zu vermeiden, daß aufgrund der Ausschaltverzögerung an den Transistoren S5, S6 der Synchrongleichrichter S5, S6 für die Dauer t2 eine Kurzschlußsituation entsteht, indem die Schaltelemente S1, S4 ein geschaltet werden, während der Synchrongleichrichter S5 noch leitend ist, weist die Steuereinheit SE ein Verzögerungsglied V sowie ein erstes und ein zweites UND-Gatter U1, U2 auf, wie in Fig. 3 zu sehen ist.In order to avoid that due to the switch-off delay at the transistors S5, S6 of the synchronous rectifier S5, S6 a short-circuit situation arises for the duration t2, in that the switching elements S1, S4 are switched on while the synchronous rectifier S5 is still conductive, the control unit SE a delay element V and first and second AND gates U1, U2, as can be seen in FIG. 3.
Am Eingang des Verzögerungsgliedes V liegt der Taktimpuls (Clock) an, an seinem Ausgang ein mit dem Taktimpuls beginnendes Verzögerungs signal fV der Dauer t3, die gleich oder etwas kürzer als die zu erwartende Ausschaltverzögerung t2 sein sollte. An jeweils einem der UND-Gatter U1, U2 liegt das Einschaltsignal aS1/S4, bS2/S3 für eines der Transistorpaare S1/S4, S2/S3 sowie ein negiertes Verzögerungssignal gV an, so daß der Pegel des am Ausgang des jeweiligen UND-Gatters U1, U2 anliegenden Signals hS1/S4, iS2/S3 gegenüber den Einschaltsignal aS1/S4, bS2/S3 um die Dauer t3 verzögert hoch ist. Mit diesen verzögerten Signalen werden die Transistorenpaare S1/S4, S2/S3 geschaltet, während die Einschaltsignale aS1,S4, bS2/S3 in negierter Form an die Transistoren S5/S6 der Synchron gleichrichter S5, S6 übertragen werden.At the input of the delay element V is the clock pulse (clock), at its output a starting with the clock pulse delay signal f V of the duration t3, which should be equal to or slightly shorter than the expected switch-off delay t2. The switch-on signal a S1 / S4 , b S2 / S3 for one of the transistor pairs S1 / S4, S2 / S3 and a negated delay signal g V are present at one of the AND gates U1, U2, so that the level of the output of the respective AND gate U1, U2 applied signal h S1 / S4 , i S2 / S3 compared to the switch-on signal a S1 / S4 , b S2 / S3 is delayed high by the duration t3. With these delayed signals, the transistor pairs S1 / S4, S2 / S3 are switched, while the switch-on signals a S1, S4 , b S2 / S3 are transmitted in negated form to the transistors S5 / S6 of the synchronous rectifier S5, S6.
Die zuvor beschriebene Schaltungsanordnung mit modifizierter Steu erungseinheit SE hat für die Erfindung einen rein exemplarischen Cha rakter. Die Erfindung ist grundsätzlich sowohl für AC/DC- als auch für DC/DC-Gegentaktwandler anwendbar und kann verschiedentlich modifi ziert werden. Als magnetische Verbundeinheit T1 können insbesondere die in DE 195 42 357 A1 und in DE 198 29 777 A1 offenbarten verwendet werden.The circuit arrangement described above with modified tax Erungseinheit SE has a purely exemplary Cha for the invention rakter. The invention is basically for both AC / DC and DC / DC push-pull converter can be used and can be modified in various ways be decorated. In particular, as a magnetic composite unit T1 those disclosed in DE 195 42 357 A1 and in DE 198 29 777 A1 become.
Grundsätzlich ist es möglich, im Rahmen der erfindungsgemäßen Schalt ungsanordnung statt einer magnetischen Verbundeinheit einen Transformator und eine energiespeichernde Drossel einzusetzen. Des weiteren ist es möglich, die Gegentaktschaltung auf der Hochvoltseite des Gegentaktwandlers statt mit einer Brückenschaltung mit zwei Schaltelementen auszuführen, wenn gleichzeitig die in Reihe geschalte ten Wicklungen der magnetischen Verbundeinheit oder eines Transfor mators eine Mittelanzapfung aufweisen. Hierzu ist die Anzahl der pri märseitigen Wicklungen zu verdoppeln.Basically, it is possible within the scope of the switching according to the invention arrangement instead of a magnetic composite unit Use transformer and an energy-saving choke. Of further it is possible to use the push-pull circuit on the high-voltage side of the push-pull converter instead of a bridge circuit with two Switching elements to be carried out if the series connected at the same time th windings of the magnetic composite unit or a Transfor mators have a center tap. The number of pri to double the windings on the Martian side.
Claims (5)
- a) einem potentialtrennenden Transformator,
- b) einer niedervoltseitigen Mittelpunktschaltung mit mindestens zwei Synchrongleichrichtern (S5, S6),
- c) hochvoltseitigen Schaltmitteln (S1, S2, S3, S4),
- d) Steuerungsmitteln zur synchronisierten Steuerung der Schaltmittel (S1, S2, S3, S4) und der Synchrongleichrichter (S5, S6),
- e) ersten hochvoltseitigen und zweiten niedervoltseitigen Glät tungsmitteln (C1, C2), sowie
- f) mindestens einer energiespeichernden Drossel,
- a) a potential isolating transformer,
- b) a low-voltage center circuit with at least two synchronous rectifiers (S5, S6),
- c) high-voltage switching means (S1, S2, S3, S4),
- d) control means for the synchronized control of the switching means (S1, S2, S3, S4) and the synchronous rectifier (S5, S6),
- e) first high-voltage side and second low-voltage smoothing means (C1, C2), and
- f) at least one energy-storing choke,
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE2001122461 DE10122461A1 (en) | 2001-05-09 | 2001-05-09 | Bidirectional push pull DC to DC converter has controlled switching to reduce loading |
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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| DE2001122461 Withdrawn DE10122461A1 (en) | 2001-05-09 | 2001-05-09 | Bidirectional push pull DC to DC converter has controlled switching to reduce loading |
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| DE (1) | DE10122461A1 (en) |
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- 2001-05-09 DE DE2001122461 patent/DE10122461A1/en not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |