AT517459B1 - Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines DC/DC-Wandlers mittels einer PWM-Steuerung - Google Patents

Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines DC/DC-Wandlers mittels einer PWM-Steuerung Download PDF

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Abstract

Um die PWM-Steuerung (2) eines DC/DC-Wandlers (1) robuster zu gestalten und einen hohen Ausgangsstrombereich des DC/DC-Wandlers (1) abzudecken, wird die Schaltfrequenz fPWM der Leistungsschalter (L1, L2) des DC/DC-Wandlers (1) durch die PWM-Steuerung 2 bei Überschreitung oder Unterschreitung einer Stromschwelle (I1, I2) des Ausgangsstroms (Ia) und einer Temperaturschwelle (T1, T2, T3, T4) geändert.

Description

Beschreibung
VERFAHREN UND EINE VORRICHTUNG ZUM ANSTEUERN EINES DC/DC-WANDLERS MITTELS EINER PWM-STEUERUNG
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines DC/DC-Wandlers mittels einer PWM-Steuerung, wobei der DC/DC-Wandler einen oder mehrere Leistungsschalter beinhaltet und einen Ausgangsstrom liefert und die PWM-Steuerung den einen oder mehreren Leistungsschalter mit einer Schaltfrequenz ansteuert, wobei die Schaltfrequenz abhängig von einer ermittelten Temperatur geändert wird.
[0002] Um Gleichspannungen zu wandeln gibt es verschiedene Typen von DC-DC-Wandlern. Bei Schaltwandlern ist zumindest ein Schaltelement, in der Regel ein Halbleiterschalter, wie ein MOSFET oder ein IGBT, vorgesehen. Im Normalfall werden die Schaltelemente eines DC/DC-Wandlers durch eine PWM (Pulsweitenmodulation) angesteuert. Bei einer PWM ist eine fixe Schaltfrequenz der Pulse vorgegeben, wobei die Breite dieser Pulse variiert und damit die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers eingestellt wird. Manche DC/DC- Wandler bieten die Möglichkeit die Schaltfrequenz zu ändern, meist ist dies jedoch nur offline möglich und nicht im laufenden Betrieb. Unter gewissen Voraussetzungen können jedoch hohe Temperaturen, beispielsweise an den Schaltelementen auftreten, die sogar zu einer Zerstörung führen können. Die US 7,120,037 B2 schlägt daher vor, die Schaltfrequenz abhängig von einer ermittelten Temperatur derart zu regeln, dass eine gewünschte Temperatur der Schaltelemente eingestellt werden kann. Auch in der EP 0 483 852 A2 und EP 2 690 778 A1 wird eine Schaltfrequenz abhängig von ermittelten Temperaturwerten geändert, wobei in der US 2004/0178759 A1 und DE 10 2013 016 337 A1 die Temperatur auch aus gemessenen Stromwerten abgeschätzt und daraufhin ebenso anhand dieser ermittelten Temperaturwerte eine Schaltfrequenz geändert wird.
[0003] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die PWM-Steuerung eines DC/DC-Wandlers robuster zu gestalten und einen hohen Ausgangsstrombereich des DC/DC-Wandlers abzudecken.
[0004] Diese Erfindung wird gelöst, indem durch die PWM-Steuerung die Schaltfrequenz der Leistungsschalter des DC/DC-Wandlers bei Überschreitung oder Unterschreitung einer Stromschwelle des Ausgangsstroms und einer Temperaturschwelle geändert wird.
[0005] Wird ein DC/DC-Wandler mit Überstrom betrieben, so steigen auch die Verluste in bestimmten Bauteilen, wie beispielsweise Schaltelemente oder passiven Bauelemente. Zu hohe Temperaturen können bis zur Zerstörung der Leistungsschalter oder anderer Elemente führen. Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung abhängig vom gelieferten Ausgangsstrom des DC/DC-Wandlers und der Temperatur eines oder mehrerer Elemente die Schaltfrequenz der Leistungsschalter geändert wird, können somit die Verluste reduziert werden. Somit kann einerseits der Strombereich des DC/DC-Wandlers für Überlastpunkte erweitert werden, ohne bestimmte Temperaturgrenzen zu überschreiten. Dieses Verfahren ist für alle Arten von DC/DC-Wandlern anwendbar, die von einer PWM gesteuert werden und zumindest einen Leistungsschalter beinhalten. Umgekehrt kann jedoch andererseits auch bei z.B. reduzierter Kühlung (z.B. bei reduziertem Luftstrom, verursacht durch verschmutze Luftfilter oder durch Reduzierung der Lüfterdrehzahl) die Nennstrombelastung aufrecht gehalten werden. Im Falle einer einstellbaren Lüfterdrehzahl kann der thermische Stress z.B. eines Halbleiterschalters nicht nur durch die absolute Temperaturhöhe, sondern auch durch Temperaturzyklen die Lebensdauer negativ beeinflussen. Eine Temperatur, die zur Änderung der Schaltfrequenz herangezogen werden kann, ist somit die durch einen Temperatursensor ermittelte Temperatur der Leistungsschalter des DC/DC-Wandlers. Ebenso möglich ist beispielsweise die Messung der Temperatur eines Kühlkörpers, der beispielsweise an den Leistungsschaltern angebracht ist.
[0006] Vorteilhafterweise wird eine erste Stromschwelle und eine erste Temperaturschwelle festgelegt. Nach Überschreitung dieser beiden Schwellen wird von einer hohen Schaltfrequenz auf eine niedrige Schaltfrequenz umgeschaltet.
[0007] Es kann auch eine zweite Temperaturschwelle festgelegt werden, die in der Regel höher als die erste Temperaturschwelle ist. Nach Erreichen dieser zweiten Temperaturschwelle wird in jedem Fall auf die niedrige Schaltfrequenz umgeschaltet, unabhängig vom Ausgangsstrom. Dies entspricht somit quasi einer Ausgangsstromschwelle von Null und bietet zusätzlichen Schutz gegen hohe Temperaturen.
[0008] Um Oszillationen bei Überschreiten der oben genannten Schwellen und dem darauffolgenden Wechsel der Schaltfrequenz zu vermeiden, kann bei Umschalten auf die niedrige Schaltfrequenz die Schaltfrequenz für eine bestimmte Zeit festgehalten werden.
[0009] Es kann auch eine zweite Stromschwelle festgelegt werden, die sich üblicherweise aber nicht notwendigerweise im Bereich der ersten Stromschwelle befindet, beispielsweise knapp unter der ersten Stromschwelle. Die zweite Stromschwelle kann natürlich auch identisch mit der ersten Stromschwelle sein. Ebenso kann eine dritte Temperaturschwelle festgelegt werden, die sich üblicherweise, aber nicht notwendigerweise um die zweite Temperaturschwelle befindet, natürlich auch mit dieser identisch sein kann. Werden nun diese dritte Temperaturschwelle und die zweite Stromschwelle unterschritten, so kann die Schaltfrequenz von der niedrigen Schaltfrequenz auf die hohe Schaltfrequenz geändert werden. Da keine Gefahr einer Überhitzung oder Überlastung besteht, ist eine hohe Schaltfrequenz zulässig.
[0010] Auch eine vierte Temperaturschwelle analog zur zweiten Temperaturschwelle kann festgelegt werden, nach deren Unterschreitung unabhängig vom Ausgangsstrom von der niedrigen auf die hohe Schaltfrequenz geschaltet wird. Das entspricht abermals einer effektiven Ausgangsstromschwelle von Null. Hiermit wird eine unter Umständen hohe Stromlast hingenommen, wenn die Temperatur hinreichend niedrig ist.
[0011] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 2 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt [0012] Fig. 1 eine Ausführung eines DC/DC-Wandlers (1) als Synchronwandler [0013] Fig.2 eine Ausführung der Erfindung [0014] Fig. 1 stellt einen Synchronwandler als speziellen DC/DC-Wandler 1 dar. Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Verfahren für jegliche DC/DC-Wandler 1 geeignet ist, das auf einer PWM-Steuerung basiert und zumindest einen Leistungsschalter L1; L2 beinhaltet. Es sind Eingangskapazität C1; Ausgangskapazität C2 und die Induktivität L ersichtlich, ebenso wie die Leistungsschalter L1; L2, jeweils mit einer Diode D1; D2 kombiniert sind. Die Eingangskapazität Ci könnte dabei auch die Zwischenkreiskapazität eines eingangsseitigen Gleichrichters sein. Die Funktion eines Synchronwandlers ist hinlänglich bekannt, weswegen hier nicht näher darauf eingegangen wird. Eine Eingangsspannung Ui wird dem DC/DC-Wandler 1 zur Verfügung gestellt und die Ausgangsspannung U2 wird durch Steuerung der Pulsdauern der Leistungsschalter L1; L2 eingestellt. Erfindungsgemäß ist ein Stromsensor S, angebracht, der den Ausgangsstrom la misst, die Temperatursensoren S1; S2 messen die Temperatur Tn der Leistungsschalter L1; L2. Die Leistungsschalter L1; L2 werden durch eine PWM-Steuerung 2 angesteuert, wie in Fig.2 skizziert. Die Leistungsschalter L1; L2 werden von der PWM-Steuerung 2 gemäß einer vorgegebenen Schaltfrequenz fPWM geschaltet. Die Werte des Ausgangsstroms la und der Temperaturen Tn wird der PWM-Steuerung 2 zugeführt, die wiederum die Leistungsschalter L^ L2 gemäß der Schaltfrequenz fPWM schaltet. Es können natürlich auch die Temperaturen Tn von beispielsweise Kühlelementen, die z.B. auf den Leistungsschaltern Li, L2 angebracht sind, herangezogen werden.
[0015] Diese Schaltfrequenz fPWM des einen oder mehreren Leistungsschalters L1; L2 des DC/DC- Wandlers 1 wird durch die PWM-Steuerung 2 derart angesteuert, dass die Schaltfrequenz fPWM bei Überschreitung oder Unterschreitung einer Stromschwelle L, l2 des Ausgangsstroms la und gleichzeitiger Überschreitung oder Unterschreitung einer Temperaturschwelle T1; Τ2, Τ3, Τ4 geändert wird.
[0016] Vorteilhafterweise wird die Temperatur Tn des einen oder mehreren Leistungsschalters L-i, L2 ermittelt und der PWM-Steuerung 2 zugeführt. Hiermit kann erreicht werden, dass die maximal zulässige Temperatur des einen oder mehreren Leistungsschalters L1; L2 nicht überschritten wird. Dies ist insbesondere bei Verwendung von Halbleiterschaltern wichtig. Bei mehreren Leistungsschaltern Li, L2 und mehreren gemessenen Temperaturen kann die höchste Temperatur Tn herangezogen werden.
[0017] Vorteilhafterweise wird nach Überschreiten einer ersten Stromschwelle h und gleichzeitigem Überschreiten einer ersten Temperaturschwelle Ti die Schaltfrequenz fPWM von einer hohen ersten Schaltfrequenz fPWM1 auf eine niedrige zweite Schaltfrequenz fPWM2 geschaltet, wodurch eine Überlastung oder Überhitzung von Bauteilkomponenten, insbesondere der Leistungsschalter Li, L2, verhindert werden kann.
[0018] Es kann auch eine zweite Temperaturschwelle T2 festgelegt werden, nach deren Überschreiten die Schaltfrequenz fPWM von der hohen Schaltfrequenz fPWM1 auf die niedrige Schaltfrequenz fPWM2 geschaltet wird, unabhängig vom Wert des Ausgangsstroms la. Dies entspricht einer ersten Stromschwelle von 0 A und dient zum Schutz vor besonders hohen Temperaturen Tn unabhängig vom Wert des Ausgangsstroms la. Sinnvollerweise ist die zweite Temperaturschwelle T2 über der ersten Temperaturschwelle Ti angesiedelt.
[0019] Nach Umschalten auf die niedrige zweite Schaltfrequenz fPWM2 kann die niedrige Schaltfrequenz fPWM2 eine erste bestimmbare Wartezeit twait1 festgehalten werden. Dies dient dazu, Oszillationen zwischen der niedrigen Schaltfrequenz fPWM2 und der hohen Schaltfrequenz fPWM1 zu vermeiden, wenn die erste Stromschwelle h und/oder eine Temperaturschwelle Ti, T2 nicht eindeutig überschritten wurde und der Ausgangsstrom la bzw. die Temperatur Tn noch um die zugehörige Schwelle la, T1; T2 schwankt.
[0020] Nach Unterschreiten einer zweiten Stromschwelle l2 und gleichzeitigem Unterschreiten einer dritten Temperaturschwelle T3 kann die Schaltfrequenz fPWM von der niedrigen Schaltfrequenz fPWM2 auf die hohe Schaltfrequenz fPWM1 geschaltet werden. Da keine hohe Temperatur Tn oder Last in Form eines hohen Ausgangsstroms la festgestellt wird, kann somit die hohe Schaltfrequenz fPWMi verwendet werden. Die dritte Temperaturschwelle T3 kann dabei auch der zweiten Temperaturschwelle T2 entsprechen.
[0021] Es kann auch eine vierte Temperaturschwelle T4 vorhanden sein, bei deren Überschreitung die Schaltfrequenz fPWM von der niedrigen zweiten Schaltfrequenz fPWM2 auf die hohe erste Schaltfrequenz fPWMi geschaltet wird, unabhängig vom Ausgangsstrom la. Die vierte Temperaturschwelle T4 kann dabei auch der ersten Temperaturschwelle entsprechen.
[0022] Nach Umschalten auf die hohe erste Schaltfrequenz fPwM2 kann die hohe Schaltfrequenz Wm2 eine zweite bestimmbare Wartezeit twait2 festgehalten werden, um Oszillationen zwischen der hohen Schaltfrequenz fPWM2 und der niedrigen Schaltfrequenz fPWM2 zu vermeiden, wenn die zweite Stromschwelle l2 und/oder eine Temperaturschwelle T3, T4 nicht eindeutig überschritten wurde und der Ausgangsstrom la bzw. die Temperatur Tn noch um die zugehörige Stromschwelle l2 bzw. Temperaturschwelle T3, T4 schwankt.

Claims (9)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zum Ansteuern eines DC/DC-Wandlers (1) mittels einer PWM-Steuerung (2), wobei der DC/DC-Wandler (1) einen oder mehrere Leistungsschalter (T1; T2) beinhaltet und einen Ausgangsstrom (la) liefert und die PWM-Steuerung (2) den einen oder mehreren Leistungsschalter (L1; L2) mit einer Schaltfrequenz (fPWM) ansteuert, wobei die Schaltfrequenz (fpwwi) abhängig von einer ermittelten Temperatur (Tn) geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz (fPWM) bei Überschreitung oder Unterschreitung einer vorgegebenen Stromschwelle (L, l2) des Ausgangsstroms (la) und einer vorgegebenen Temperaturschwelle (T1s T2, T3, T4) geändert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (Tn) des einen oder mehreren Leistungsschalters (L^ L2) ermittelt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Überschreiten einer ersten Stromschwelle (L) und einer ersten Temperaturschwelle (T^ die Schaltfrequenz (fpwwi) von der hohen Schaltfrequenz (fPWMi) auf die niedrige Schaltfrequenz (fPWM2) geschaltet wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Überschreiten einer zweiten Temperaturschwelle (T2) die Schaltfrequenz (fPWM) von der hohen Schaltfrequenz (fPWMi) auf die niedrige Schaltfrequenz (fPWM2) geschaltet wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Umschalten auf die niedrige Schaltfrequenz (fPWM2) die niedrige Schaltfrequenz (fPWM2) eine erste bestimmbare Wartezeit (twait1) festgehalten wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Unterschreiten einer zweiten Stromschwelle (l2) und einer dritten Temperaturschwelle (T3) die Schaltfrequenz (fPWM) von der niedrigen Schaltfrequenz (fPWM2) auf die hohe Schaltfrequenz (fpwMi) geschaltet wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Unterschreiten einer vierten Temperaturschwelle (T4) die Schaltfrequenz (fPWM) von der niedrigen Schaltfrequenz (fPWM2) auf die hohe Schaltfrequenz (fPWMi) geschaltet wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Umschalten auf die hohe Schaltfrequenz (fPWMi) die hohe Schaltfrequenz (fPWMi) eine zweite bestimmbare Wartezeit (twait2) festgehalten wird.
  9. 9. Vorrichtung zum Ansteuern eines DC/DC-Wandlers (1) mittels einer PWM-Steuerung (2), wobei der DC/DC-Wandler (1) einen oder mehrere Leistungsschalter (L1; L2) beinhaltet und die PWM-Steuerung (2) den einen oder mehreren Leistungsschalter (T1; T2) mit einer Schaltfrequenz (fPWM) ansteuert, wobei die PWM-Steuerung (2) die Schaltfrequenz (fPWM) abhängig von einer ermittelten Temperatur (Tn) ändert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromsensor (Si) vorhanden ist, der den Ausgangsstrom (la) des DC/DC-Wandlers (1) ermittelt und der PWM-Steuerung (2) zuführt, und dass ein oder mehrere Temperatursensoren (Si, S2) vorgesehen sind, die zumindest eine Temperatur (Tn) eines Leistungsschalters (L1; L2) misst und der PWM-Steuerung (2) zuführt, wobei die PWM-Steuerung (2) bei Überschreitung oder Unterschreitung einer vorgegebenen Stromschwelle (l1; l2) und einer vorgegebenen Temperaturschwelle (T1; T2, T3, T4) die Schaltfrequenz (fPWM) ändert.
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