CN105429105B - 具有可变的开关频率的受调节的谐振变换器的温度监控 - Google Patents

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Abstract

根据本发明提出一种用于对具有可变的开关频率的受调节的谐振变换器进行温度监控的方法和设备，其中该方法包含如下步骤：监控开关频率或与其对应的作为第一变量的变量相对于其在受调节运行中的初始值的变化，和根据模型或表格评估所述变化，所述模型或所述表格描述受监控的第一变量的变化和温度变化之间的关联。

Description

具有可变的开关频率的受调节的谐振变换器的温度监控
技术领域
本发明涉及一种用于对具有可变的开关频率的受调节的谐振变换器进行温度监控的方法和设备。
背景技术
这种方法从现有技术中已知。
在此，通常借助于传感设备测量绝对温度。在达到过温时能够切断谐振变换器以进行保护。谐振变换器处于受调节的运行中，以便将根据应用期望的输出变量(例如输出电压、输出电流或输出功率)保持在预设的水平上，其中通过改变开关频率来影响输出变量。
图1示出用于谐振变换器3的典型的控制回路的结构，其调节变量为激发信号4的频率F。可行的理论变量和实际变量XSoll和XIst是谐振变换器3的输出功率、输出电压或输出电流。代替频率F也能够由调节器1相关于信号发生器2的较高的基础频率给出期望的周期持续时间或除法系数。
发明内容
本发明基于如下目的：提出一种用于对谐振变换器进行改进的温度监控的方法和设备。
所述目的通过对具有可变的开关频率的受调节的谐振变换器进行温度监控的方法来实现，所述方法具有如下步骤：
-将开关频率或与其对应的变量作为第一变量，相对于其在受调节运行中的初始值，监控第一变量监控的变化，和
-根据模型或表格评估该变化，所述模型或所述表格描述受监控的第一变量的变化和温度变化之间的关联。
在此有利的是：该方法在没有用于检测温度变化的传感设备的情况下是够用的。
尤其有利的是：在测定变化之前预处理受监控的变量。这种预处理适当地存在于过滤时。
为了避免有误差地作用于要测定的温度变化的影响，受监控的第一变量的变化在第一变量在其评估之前改变了一个校正值。
通过如下方式在测定温度变化时抑制作为受调节的输出变量的变化结果的开关频率变化：即将谐振变换器的受调节的输出变量或与其对应的变量作为第二变量，相对于其在受调节的运行中的初始值，对所述第二变量的变化进行监控，并且根据另一模型或另一表格通过评估变化确定校正值，所述另一模型或所述另一表格描述受监控的第二变量的变化和受监控的第一变量的变化之间的关联。
此外，该目的还通过用于执行这种方法的温度监控设备来实现。
本发明提出一种用于执行根据本发明的方法的温度监控设备，具有：监控设备，以用于将开关频率或与开关频率对应的变量作为第一变量相对于其在受调节运行中的初始值对第一变量的变化进行监控；和具有评估设备，以用于根据模型或表格确定变化，其中模型或表格描述受监控的变量的变化和温度变化之间的关联。
例如，这种温度监控设备有利地使用在谐振变换器中，所述谐振变换器构建在用于电动车的充电系统中。这不仅对于有线连接的充电系统而且对于感应充电系统都是可行的。在此，表现为尤其有利的是：能够弃用温度传感器，所述温度传感器的最佳定位显示了获得充分精确的温度测量值的要求。
同样能够考虑的是：在开关电源中的谐振变换器中使用，例如以用于工业PC、笔记本或工业应用，例如像控制设备的电压供应。借助功率电子装置和其控制装置的继续发展的集成，温度传感器和其评估装置的弃用则做出有价值的贡献。
附图说明
下面，根据附图详细阐述本发明的实施例。在此示出：
图1示出根据现有技术的具有可变的开关频率的受调节的谐振变换器的控制回路结构，
图2示出在电感保持不变的情况下的串联振荡回路的电容器电容和谐振频率之间的关联，
图3示出降低的电阻值对谐振变换器的输出特征曲线的影响，
图4示出电容器的温度相关性的实例，
图5示出串联振荡回路中的温度变化ΔT和谐振频率变化ΔF之间的关联ΔT＝f(ΔF)。
具体实施方式
本发明涉及对谐振变换器的运行温度进行无传感器的监控，以便例如在过温情况下能够执行切断。
在不是确定绝对温度，而是在谐振变换器受调节的运行期间基于控制回路的运行变量执行温度变化的评估，而没有附加地应用传感装置。通过评估该估算的温度变化例如能够做出切断决定，以便保护变换器免受过温。
温度变化能够从谐振变换器的总归已知的运行变量中测定。具体地，在此考虑根据图1的调节器1的调节变量，只要其直接或间接地影响谐振变换器的开关频率。在数字式执行的调节器(例如基于微控制器)中，存在调节变量-进而与变换器的开关频率关联的变量-作为调节算法的运算结果。
谐振变换器的开关频率的工作点典型地位于变换器的谐振频率附近，并且在此-在首先作为假设负载恒定的情况下-主要通过改变振荡回路的电感L和电容C来影响。谐振回路的谐振频率已知地通过fResonanz＝1/(2·π·L·C)给出。如果变量L或C中的至少一个变化，那么这在受调节的谐振变换器中引起开关频率的变化，以便将变换器的输出变量(例如电压、电流或功率)保持在预设水平上。在C变小的情况下例如根据图2提高变量fResonanz。由此，开关频率平均地必须占据更高的数值，以便实现变换器的相同的输出变量，如这在图3中示出，所述输出变量显示出下降的电容值C(箭头向下)对谐振变换器的输出特征曲线的影响。为了保持输出变量不变，则必须选择更高的开关频率F或者在受调节的运行中自动地设定所述开关频率。
根据介电质，在所使用的电容器中在温度升高的情况下通常根据图4进行对电容值的负或正校正的变化。受调节的谐振变换器中的开关频率的温度相关的变化在电容器的温度系数相应大的情况下基本上由该作用原理引起，这是因为对电感L的温度影响相比较能够是可忽略的。
在图4中示例示出的电容器温度相关性(温度T以摄氏度表示)是具有每开尔文100至-750百万分之一温度系数的两个不同的电容器的理想的电容变化(相对于其初始值C0的改变的电容ΔC参照初始值C0以百分比表示的偏差)。
根据本发明的思想来联系该关联。由于谐振变换器的受调节的运行，在负载和输出变量恒定的情况下，通过根据图1的调节器直接或间接确定的开关频率平均地在温度提高的情况下，根据其是否为具有负或正温度系数的电容器来上升或下降。如果在更长的运行时间段上观察开关频率，那么由此能够得出谐振变换器的温度变化的结论。相应地，根据该观察例如在达到确定的频率上限或下限时能够触发过温切断。
为了不仅实施切断域，而且也能够提供关于谐振变换器中的温度发展的估计的信息，能够在表格或数字模型ΔT＝f(ΔF)中存储温度变化ΔT和频率变化ΔF之间的估计的关联，例如作为多项式特征曲线。该特征曲线或该模型例如能够从根据图4的温度和电容变化以及根据图2的电容和谐振频率变化的关联中测定，但是或者在测量技术方面以实验的途径测定(在运行温度不同的情况下测量开关频率作为特征曲线或模型的基础)。图5展示出已经能够提供关联ΔT＝f(ΔF)的线性模型(直线方程)的精度。
在图5中示出串联振荡回路中的温度变化ΔT以及谐振频率变化ΔF(以赫兹为单位：Hz)之间的关联ΔT＝f(ΔF)(虚线示出，在此作为实例的是L＝50μH，标称电容C＝20nF，电容器的电容变化假设为斜率为-1％/10K的线性的，其中K＝开尔文)以及通过实线示出该非线性的关联的近似。
如果调节器不应当输出频率(或者与其成比例的变量)作为调节变量，而是例如开关过程的周期持续时间，那么将在所描述的关联中的变量ΔF相应地换算成当前调节变量的变化。
因为上述关联以谐振变换器的控制变量和负载恒定为基础，那么在一个用于变换器的扩展方案中在扩展的模型中考虑输出变量，该扩展方案必须操作用于变换器的受调节的输出变量的可变的工作点。由此能区分：哪个开关频率变化源自输出变量的变化，并且哪个开关频率变化实际归因于温度变化。例如，于是存在另外的模型或表格，其中描述开关频率和变换器的受调节的输出变量X(例如功率、电压或电流)之间的关联，即ΔFX＝fX(ΔX)。随后，在从已经描述的模型ΔT＝f(ΔF-ΔFX)中确定变换器的温度变化之前，将实际的频率变化ΔF减小该数值ΔFX。因为在数字式的执行中已经以传感器的方式检测变换器的输出变量作为调节变量，并且同样如调节变量那样存在，所以对于该扩展的方法也不需要结构上的变化或附加的传感器。
原理上也能够考虑的是：对开关频率F和绝对温度T之间的关联建模并且作为特征曲线T＝f(F)存储，以便能够在当前运行中得出绝对温度。当然要注意的是：电容器的电容的样本离散与根据图4的温度相关的电容特征曲线的上升相比典型地如此高，使得绝对温度仅能够以及其非常高的不精确性来测定。相反，通过开关频率变化的根据本发明的评估和由此导出的温度变化的测定来代替确定绝对温度，样本的绝对的电容器电容的离散不再重要。
为了执行根据本发明的温度变化监控，总结地需要如下步骤：
-(1)监控控制回路的调节变量或由此例如通过过滤导出的变量，
-(2)在谐振回路起振之后的时间点存储所述变量的数值作为比较值，
-(3)此后在变换器的受调节的运行期间，连续地或以确定的时间间隔对受监控的变量关于比较值进行差分形成，
-(4)根据之前要建立的数学模型(例如多项式特征曲线)或表格测定温度差分值，所述温度差分值说明自接收受监控的变量的比较值起的变换器的温度变化，在所述数学模型或表格中形成受监控的变量和温度变化之间的关联，
-(5)在对方法扩展了包含变换器的输出变量的情况下：
(5a)在受调节的运行中的起振过程之后存储输出变量，
(5b)此后在运行期间定期地将当前的输出变量值与存储的值进行比较，
(5c)根据模型或表格测定由该输出变量差引起的调节变量差，在从在步骤(4)中提及的模型中确定温度变化之前，将上面在步骤(3)中提及的调节变量差降低所述数值。
根据本发明的、用于对具有可变的开关频率的受调节的谐振变换器进行温度控制的方法总结地基本上包含如下步骤：
-将开关频率或与其对应的变量作为第一变量，相对于其在受调节运行中的初始值，监控第一变量的变化，和
-根据模型或表格评估所述变化，所述模型或所述表格描述受监控的第一变量的变化和温度变化之间的关联。
在测定变化之前预处理受监控的变量，其中预处理在过滤中进行。
在所描述的方法的一个改进形式中，受监控的第一变量的变化在其评估之前改变了一个校正值。
对此，将谐振变换器的受调节的输出变量或与其对应的变量作为第二变量，相对于其在受调节的运行中的初始值，对第二变量的变化进行监控。根据另一模型或另一表格通过评估所述变化测定校正值，所述另一模型或所述另一表格描述受监控的第二变量的变化和受监控的第一变量的变化之间的关联。
输出变量例如能够是输出电压、输出电流或输出功率。
能够列举用于确定谐振变换器中的温度变化的所描述的方法的优点：
-在不需要用于温度测量的附加传感装置的情况下，利用受调节的谐振变换器的现有的运行变量。
-在负载恒定的情况下，已经能够借助极其简单的线性模型根据开关频率变化得到关于系统中的温度变化的相当精确的结论。
-以该方式能够极其简单地附加保护谐振变换器免于过温，并且必要时当总归数字化地进行对变换器的控制(例如在微控制器中)时，在没有另外的硬件花费的情况下来执行。

Claims (9)

1.用于对具有能变的开关频率的受调节的谐振变换器进行温度监控的方法，其中所述方法具有如下步骤：
将所述开关频率或与所述开关频率对应的变量作为第一变量，相对于所述第一变量在受调节运行中的初始值，监控所述第一变量的变化，和
根据模型或表格评估所述变化，所述模型或所述表格描述受监控的所述第一变量的变化和温度变化之间的关联。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在评估受监控的所述第一变量的变化之前预处理受监控的所述变量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在为了导出所述第一变量而进行的过滤时存在所述预处理。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，受监控的所述第一变量的变化在所述第一变量的评估之前改变了一个校正值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述谐振变换器的受调节的输出变量或与所述输出变量对应的变量作为第二变量，相对于所述第二变量在受调节的运行中的初始值，对所述第二变量的变化进行监控，并且根据另一模型或另一表格通过评估所述变化确定所述校正值，所述另一模型或所述另一表格描述受监控的所述第二变量的变化和受监控的所述第一变量的变化之间的关联。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述输出变量是输出电压、输出电流或输出功率。
7.一种用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法的温度监控设备，具有：监控设备，以用于将开关频率或与所述开关频率对应的变量作为第一变量相对于所述第一变量在受调节运行中的初始值对所述第一变量的变化进行监控；和具有评估设备，以用于根据模型或表格确定所述变化，其中所述模型或所述表格描述受监控的第一变量的变化和温度变化之间的关联。
8.根据权利要求7所述的温度监控设备，其中所述温度监控设备是充电系统的一部分，所述充电系统适合于对电动车辆进行感应充电。
9.根据权利要求7所述的温度监控设备，其中所述温度监控设备是开关电源的一部分，所述开关电源用于对控制设备进行工业的电流供应和电压供应、或者用于对工业PC、笔记本或其他的电气设备进行电压供应。
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