DE102007040783A1

DE102007040783A1 - Verfahren zur Ansteuerung von nichtlinearen Lastelementen

Info

Publication number: DE102007040783A1
Application number: DE102007040783A
Authority: DE
Inventors: Uli Joos; Jochen Zwick; Josef Schnell; Christian Voss
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2009-03-12
Also published as: WO2009026896A1; DE112008002919A5; US8508259B2; US20100308786A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines nichtlinearen Lastelements. Aufgrund des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Spannung und dem Strom am Lastelement und der damit verbundenen nichtlinearen Abhängigkeit der Verlustleistung von den Größen Spannung und Strom, ist eine Anpassung der Schaltgeschwindigkeit allein auf Basis der Verlustleistung im Schaltelement nicht ohne unerwünschte Schaltverluste und damit gebundene elektromagnetische Störfelder auszuführen. Daher wird erfindungsgemäß neben der aktuell ermittelten Verlustleistung im Schaltelement noch der aktuelle im Lastelement durchfließende Laststrom erfasst und in Abhängigkeit von der ermittelten Verlustleistung und dem erfassten Strom die Schaltgeschwindigkeit des Schaltelements gesteuert. Durch die Einführunge weitere Messgröße zusätzlich zu der Größe Verlustleistung kann die Schaltgeschwindigkeit bei der PWM-Ansteuerung von den nichtlinearen Lastelementen optimal eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines nichtlinearen Lastelements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Ansteuerung vieler elektrischer Lastelementen, insbesondere elektrischer Lastelementen im Kraftfahrzeug wie Lampen, Heizwendeln, usw. erfolgt mittels Pulsweitenmodulation (PWM). Hierbei kann die an das Lastelement abgegebene Leistung geregelt oder gesteuert werden, wobei die Verluste in der Ansteuerelektronik durch den Schaltbetrieb klein gehalten werden können.
Bei der pulsweitenmodulierten Ansteuerung von Lastelementen im Kraftfahrzeug werden jedoch über die Batterie- und Lastzuleitungen elektromagnetische Felder emittiert, die den Rundfunkempfang im Fahrzeug stören können. Deshalb wurden hierzu in verschiedenen Normen wie IEC, ISO, CISPR Grenzwerte festgelegt, die die Beeinflussung des Rundfunkempfängers in den entsprechenden Spektren auf ein erträgliches Maß reduzieren. Die Reduktion dieser abgestrahlten Felder kann z. B. durch Filterung an den Ein- und Ausgängen des Steuergerätes erfolgen. Die neuen Verfahren verwenden eine aktive Beeinflussung der Schaltflanken, wie es z. B. in der Offenlegungsschrift WO2005/057788 beschrieben wurde.
In den neuen Fahrzeugreihen wird immer mehr dazu übergegangen, die Lampen durch die Leuchtdioden (LED's) zu ersetzen. Die Nichtlinearität deren Strom-/Spannungskennlinie führt jedoch zum abrupten Abreißen des Stroms und damit zu erhöhten Störemissionen. Herkömmliche Verfahren bedämpfen die hochfrequenten Wechselströme auf den Zuleitungen mit Filtern in den Eingangs- und Ausgangsleitungen. Der Nachteil der Filter ist jedoch ihr hoher Kosten und Platzbedarf, der die Elektronik verteuert und dass die Filter nicht miniaturisiert (Integration in Silizium) werden können.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion der elektromagnetischen Abstrahlung ist die Reduktion der Schaltgeschwindigkeit im Schaltelement, wodurch die hochfrequenten Stromanteile auf das notwendige Maß reduziert werden können. Dabei nehmen allerdings die unerwünschten, die Elektronik aufheizenden, Schaltverluste mit abnehmender Schaltgeschwindigkeit zu.
Bei den neuen Verfahren z. B. gemäß der Schrift WO2005/057788 variiert die Schaltgeschwindigkeit vom Schaltelement in Abhängigkeit von der aktuellen Verlustleistung. Die 1 zeigt die normierte Verlustleistung an einem Schaltelement bei Ansteuerung eines Ohm'schen, nämlich linearen Lastelements sowie stufenförmige Annäherungen des Verlaufs der Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung gemäß der Schrift WO2005/057788 .
Derartige wie in dieser Schrift offenbarten Verfahren versagen jedoch bei der Ansteuerung von Lastelementen, die sich innerhalb eines Schaltvorgangs nichtlinear verhalten, d. h. die Lastelemente mit nichtlinearem Zusammenhang zwischen der Spannung und dem Strom, wie es z. B. bei LED's der Fall ist.
Aufgrund des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Spannung und dem Strom im Lastelement ist die Verlustleistung im Schaltelement nicht linear abhängig von der Ausgangsspannung bzw. dem Laststrom. Folglich ist eine nur auf die Verlustleistung oder Ausgangsspannung am Schaltelement oder eine davon abhängige Größe bezogene Anpassung der Schaltgeschwindigkeit vom Schaltelement bei Ansteuerung von den nichtlinearen Lastelementen nicht ohne erhöhte Schaltverluste bzw. schlechte elektromagnetische Abstrahlung anwendbar. Dieser Unterschied zwischen linearen und nichtlinearen Lastelementen ist bspw. in der 5 verdeutlicht. Bei einem idealen linearen Lastelement bspw. bei einem linearen Widerstand ändert sich der Strom proportional zu der Spannung am Lastelement, wie die gestrichelte Linie L1 in der 6 zeigt. Damit besteht bei einem linearen Lastelement zwischen der Verlustleistung P_V beim Schaltelement und der Ausgangsspannung U_a ein Zusammenhang eines Polynom 2. Grades: P_V ~ (U_a)² d. h. die Verlustleitung P_V ist linear proportional zu dem Quadrat der Ausgangsspannung U_a, wie es die 1 zeigt (siehe dabei die durchgezogene Polynomkurve).
Bei einem nichtlinearen Lastelement dagegen ändert sich der in diesem nicht linearen Lastelement fließende Strom nicht proportional zu der Ausgangsspannung (siehe dazu die durchgezogene Linie L2 in der 6). Folglich besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Verlustleistung und dem Strom bzw. der Spannung. Dies ist in den 2 und 8 verdeutlicht. Dabei zeigt die 2 einen nichtlinearen Zusammenhang im unteren Wertbereich der Ausgangsspannung und die 8 ein nichtlinearen Zusammenhang sowohl im unteren als auch im oberen Wertbereich der Ausgangsspannung. Infolge des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Spannung und dem Strom ist eine Anpassung der Schaltgeschwindigkeit allein auf Basis der Verlustleistung oder der Ausgangsspannung bei den nichtlinearen Lastelementen nicht praktikabel. Das heißt, die Abstrahlung elektromagnetischer Störfelder kann mit dem Verfahren in der Schrift WO2005/057788 nicht effektiv reduziert werden.
Daher ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, mittels dessen die abgestrahlten elektromagnetischen Felder bei den nichtlinearen Lastelementen durch lastabhängige, aktive Beeinflussung der Schaltflanken der Schalteinrichtung wirksam reduziert und die gültigen Normen erfüllt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöscht. Die vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Aufgrund des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Spannung und dem Strom am Lastelement und der damit gebundenen nichtlinearen Abhängigkeit der Verlustleistung von den Größen Spannung und Strom, ist eine Anpassung der Schaltgeschwindigkeit allein auf Basis der Verlustleistung bzw. Spannung bei nichtlinearen Lastelementen nicht ohne unerwünschte Schaltverluste und damit gebundene elektromagnetische Störfelder auszuführen.
Daher wird erfindungsgemäß neben der aktuell ermittelten Verlustleistung am Schaltelement noch der aktuelle im Lastelement durchfließende Laststrom erfasst und in Abhängigkeit von der ermittelten Verlustleistung und dem gemessen Laststrom die Schaltgeschwindigkeit der nichtlinearen Lastelemente gesteuert.
Durch die Einführung des im Lastelement durchfließenden Stroms als eine weitere Messgröße zusätzlich zu der Größe Verlustleistung kann die Schaltgeschwindigkeit bei den nichtlinearen Lastelementen optimal eingestellt werden. Dabei wird die Schaltgeschwindigkeit beim nichtlinearen Schaltelement wie folgt gesteuert:

– die Schaltgeschwindigkeit wird in dem Bereich hoch gestellt, in dem die Strom-Spannungskennlinie des Lastelements dI_a/dU_a annähernd Null ist,
– die Schaltgeschwindigkeit wird in dem Bereich hoch gestellt, in dem in dem die Strom-Spannungskennlinie des Lastelements dI_a/dU_a nicht annähernd Null und die Verlustleistung hoch ist, und
– die Schaltgeschwindigkeit wird in dem Bereich niedrig gestellt, in dem die Strom-Spannungskennlinie des Lastelements dI_a/dU_a nicht annähernd Null und die Verlustleistung klein ist.

Die vorliegende Erfindung beruht auf einer aktiven Beeinflussung der Schaltgeschwindigkeit bei dem Schaltelement derart, dass das Schaltelement in dem Bereich mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit betrieben wird, in dem sowohl die Ausgangsspannung als auch der Strom im Lastelement die jeweilige untere Schwelle überschritten haben. Entsprechend wird das Schaltelement mit einer reduzierten Schaltgeschwindigkeit betrieben, wenn die Ausgangsspannung und der Strom im Lastelement unterhalb der jeweiligen Schwelle liegen.
Zur optimalen Anpassung der Schaltgeschwindigkeit werden je zwei Schwellen für die Verlustleistung am Schaltelement und den Laststrom eingesetzt. Für die Verlustleistung wird die Ausgangsspannung als Messgröße erfasst und es werden zwei Spannungsschwellen als Bezugsgröße für die Ausgangsspannung verwendet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert.
Es zeigt,
1: die relative Verlustleistung in Abhängigkeit von der relativen Ausgangsspannung bei einem linearen Lastelement, gezeigt in einem rechtshändigen Koordinatensystem, wobei die Rechtsachse die relative Ausgangsspannung U_a/U_KL30 und die Hochachse die relative Verlustleistung P_V/P_Vmax ist;
2: die relative Verlustleistung in Abhängigkeit von der relativen Ausgangsspannung bei einem nichtlinearen Lastelement, gezeigt in einem rechtshändigen Koordinatensystem, wobei die Rechtsachse die relative Ausgangsspannung U_a/U_KL30 und die Hochachse die relative Verlustleistung P_V/P_Vmax ist;
3: die Zeitverläufe bzw. das Schaltverhalten der relativen Verlustleistung, des relativen Laststroms und der relativen Ausgangsspannung bei einem nichtlinearen Lastelement gemäß der 2, gezeigt in drei rechtshändigen Koordinatensystemen, wobei im ersten Koordinatensystem der Zeitverlauf des relativen Laststroms I_a/I_amax, im Zweiten der Zeitverlauf der relativen Ausgangspannung U_a/U_bat, und im Dritten der Zeitverlauf der relativen Verlustleistung P_V/P_V-max gezeigt ist;
4: Ersatzschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der 3;
5: den Verlauf der normierten Strom-Spannungs-Kennlinie eines linearen und nichtlinearen Lastelements, wobei der maximale Strom bei diesem nichtlinearen Lastelement nach oben hin begrenzt ist, gezeigt in einem rechtshändigen Koordinatensystem, wobei die Rechtsachse die relative Ausgangsspannung U_a/U_KL30 und die Hochachse der relative Laststrom I_a/I_amax ist;
6: die Zeitverläufe bzw. das Schaltverhalten der relativen Verlustleistung, des relativen Laststroms und der relativen Ausgangsspannung bei einem nichtlinearen Lastelements, wobei der maximale Strom bei diesem Lastelement gemäß der 5 begrenzt ist, gezeigt in drei rechtshändigen Koordinatensystemen, wobei im ersten Koordinatensystem der Zeitverlauf des relativen Laststroms I_a/I_amax, im Zweiten der Zeitverlauf der relativen Ausgangspannung U_a/U_bat, und im Dritten der Zeitverlauf der relativen Verlustleistung P_V/P_V-max gezeigt ist;
7: die Zeitverläufe bzw. das Schaltverhalten der relativen Verlustleistung, des relativen Laststroms und der relativen Ausgangsspannung bei einem nichtlinearen Lastelement gemäß der 8 mit der Strombegrenzung gemäß der 5, gezeigt in drei rechtshändigen Koordinatensystemen, wobei im ersten Koordinatensystem der Zeitverlauf des relativen Laststroms Ia/I_amax, im Zweiten der Zeitverlauf der relativen Ausgangspannung Ua/U_bat, und im Dritten der Zeitverlauf der relativen Verlustleistung P_V/P_V-max gezeigt ist;
8: die relative Verlustleistung in Abhängigkeit von der relativen Ausgangsspannung bei einem nichtlinearen Lastelement mit Strombegrenzung gemäß der 5, gezeigt in einem rechtshändigen Koordinatensystem, wobei die Rechtsachse die relative Ausgangsspannung U_a/U_bat und die Hochachse die relative Verlustleistung P_V/P_Vmax ist;
9: Ersatzschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der 7;
10a: die Schaltverhalten bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anpassung der Schaltgeschwindigkeit vom Schaltelement bei Ansteuerung eines nichtlinearen Lastelements mit einem Verlauf der relativen Verlustleistung bzgl. der relativen Ausgangsspannung gemäß der 8 nach Tabelle 1, gezeigt in vier rechtshändigen Koordinatensystemen, wobei im ersten Koordinatensystem der Zeitverlauf der relativen Gatespannung U_g/U_gmax im Zweiten der Zeitverlauf der relativen Ausgangspannung U_a/U_bat, im Dritten der Zeitverlauf des relativen Laststroms I_a/I_amax, und im Vierten der Zeitverlauf der relativen Verlustleistung P_V/P_V-max gezeigt ist;
10b: den zeitlichen Verlauf des relativen Laststroms I_a/I_amax mit der dazugehörigen Pulsdauer für das Schaltverhalten gemäß der Tabelle 1 und der 10a;
10c: die Schaltverhalten bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anpassung der Schaltgeschwindigkeit vom Schaltelement bei Ansteuerung eines nichtlinearen Lastelements mit einem Verlauf der relativen Verlustleistung bzgl. der relativen Ausgangsspannung gemäß der 8 nach Tabelle 2, gezeigt in vier rechtshändigen Koordinatensystemen, wobei im ersten Koordinatensystem der Zeitverlauf der relativen Gatespannung U_g/U_gmax, im Zweiten der Zeitverlauf der relativen Ausgangspannung U_a/U_bat, im Dritten der Zeitverlauf des relativen Laststroms I_a/I_amax, und im Vierten der Zeitverlauf der relativen Verlustleistung P_V/P_V-max gezeigt ist.
Die 1 zeigt die Änderung der relativen Verlustleistung P_V/P_Vmax in Abhängigkeit von der relativen Ausgangsspannung U_a/U_KL30 bei einem linearen Lastelement. Dabei bedeutet P_V die aktuelle Verlustleistung, P_Vmax die maximale Verlustleistung, U_a die Ausgangsspannung, und U_KL30 die Versorgungsspannung. Demnach weist die relative Verlustleistung P_V/P_V-max ein Polynom 2. Grades der Ausgangsspannung U_a/U_KL30 auf. Dies ist infolge des linearen Zusammenhangs zwischen der Ausgangsspannung U_a und dem Strom I_a in einem linearen Lastelement.
Die 2 und 8 zeigen dagegen einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Verlustleistung P_V und der Ausgangsspannung U_a in einem nichtlinearen Lastelement. Dieser nichtlineare Zusammenhang zwischen der Verlustleistung P_V und der Ausgangsspannung U_a ist infolge des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Ausgangsspannung U_a und dem Strom I_a im Lastelement, welches bei einem nichtlinearen Lastelement der Fall ist. Demzufolge kann ein derartiges nichtlineares Lastelement wie LED (Leuchtdiode) nicht mit einem Verfahren wie in der Schrift WO2005/057788 beschrieben, betrieben werden, ohne dabei erhöhte störende Abstrahlung oder erhöhte Schaltverluste zu verursachen.
Wie die 2 zeigt, weist die Kurve der relativen Verlustleistung P_V/P_V-max einen Bereich auf, in der Figur mit der Nummer B1 bezeichnet, in dem die Verlustleistung P_V trotz der steigenden Ausgangsspannung U_a Null ist. Außerhalb von diesem Bereich B1, nämlich in dem Bereich B2 weist die relative Verlustleistung P_V/P_V-max einen näherungsweise linearen Zusammenhang zu der relativen Ausgangsspannung U_a/U_KL30 auf. Der Übergangspunkt zwischen diesen beiden Bereichen B1 und B2 ist die untere Spannungsschwelle U_au der Ausgangsspannung U_a, die noch bestimmt werden muss.
Da die Spannungsschwelle U_au der LED nicht genau bekannt ist bzw. über den Betriebsbedingungen variiert, wird gegenüber dem bekannten Verfahren in der Schrift WO2005/057788 als neue physikalische. Messgröße der aktuelle Strom im Lastelement, nämlich Laststrom I_a, eingeführt. Für den aktuellen Laststrom I_a wird auch eine Stromschwelle I_lim1 eingeführt.
So wird das Schaltelement in dem Bereich mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit betrieben, in dem sowohl die Ausgangsspannung U_a als auch der Laststrom I_a die unteren Schwellen U_au bzw. I_lim1 überschritten haben. Entsprechend wird die Schaltgeschwindigkeit reduziert, wenn die Ausgangsspannung U_a und der Laststrom I_a unterhalb der Schwellen U_au bzw. I_lim1 liegen. Die Zeitverläufe sind in der 3 dargestellt. Der Bereich der hohen Verlustleistung ist dabei abhängig von der Spannungsschwelle U_au der LED.
Der prinzipielle Verlauf der relativen Verlustleistung P_V/P_V-max im Schaltelement ist in der 2 dargestellt. Wie bei dem bereits bekannten Verfahren wird die Schaltgeschwindigkeit an den Momentanwert der Verlustleistung P_V angepasst. Die gestrichelten Kurven S1 und S2 stellen dabei eine stufenförmige Annäherung der Schaltgeschwindigkeit an die Idealkurve mit unterschiedlicher Stufenanzahl dar. Dadurch kann das emittierte Spektrum auch für nichtlineare Lastelementen in den hochfrequenten Bereichen reduziert werden ohne dabei die Schaltverluste signifikant zu erhöhen.
Die 4 zeigt eine mögliche Realisierung dieses Schaltvorgangs gemäß der 3 mit einer Schaltungsanordnung. Als das nichtlineare Lastelement wird eine LED mit Vorwiderstand 110 gezeigt. In dieser Schaltungsanordnung wird das Gate des MOSFET-Schaltelements 200 in Abhängigkeit von der Verlustleistung P_V, nämlich der Ausgangsspannung U_a, und dem Laststrom I_a im Schaltfall unterschiedlich stark bestromt und so die Schaltgeschwindigkeit innerhalb des Schaltverlaufs den aktuellen Messgrößen: der Verlustleistung P_V, bzw. der Ausgangsspannung U_a, und dem Laststrom I_a gezielt angepasst.
In dem Bereich mit einer hohen Verlustleistung P_V und in dem Bereich, in dem die Änderung dI_a/dU_a des Laststroms I_a im Vergleich zu der Änderung der Ausgangsspannung U_a gering ist, wird die Schaltgeschwindigkeit hoch gestellt. In dem Bereich, in dem die Verlustleistung P_V gering ist und die Änderung dI_a/dU_a des Laststroms I_a im Vergleich zu der Änderung der Ausgangsspannung U_a hoch ist, wird die Schaltgeschwindigkeit niedrig gestellt.
Durch die steuerbaren Stromquellen 400 und entsprechende Steuerlogik 300 können dabei die Übergänge zwischen der hohen und niedrigen Schaltgeschwindigkeiten sehr genau vorgegeben und ggfs. eine auch sehr feine Anpassung der Schaltgeschwindigkeit realisiert werden. Die Funktionsweise der Steuerlogik 300 ist in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.
Um die Lebensdauer der LED's zu erhöhen und/oder die Helligkeit bzw. das Farbspektrum unabhängig von der Versorgungsspannung zu regeln, ist es ebenfalls üblich, LED's in Serie mit Stromquellen 120 zur Strombegrenzung zu betreiben. Die durchgezogene Linie L2 in der 5 zeigt exemplarisch den Verlauf der normierten Strom-Spannungs-Kennlinie eines solchen Lastelements. Durch die Strombegrenzung ergeben sich bei einer Ansteuerung eines derartigen Lastelements folgende Zeitverläufe wie in der 6. Die gezeigten Zeitverläufe machen deutlich, dass das Spektrum des Stroms erhebliche Anteile im hochfrequenten Bereich hat. Diese Anteile können reduziert werden, wenn kurz vor dem Erreichen des Schwellstroms der Strombegrenzung die Schaltgeschwindigkeit reduziert wird.
Da die Stromschwelle der Strombegrenzung nicht genau bekannt ist, bzw. über den Betriebsbedingungen variiert, muss diese für die nächste fallende bzw. steigende Flanke im Betrieb ermittelt werden, sofern im Lastelement nicht schon eine Abrundung des Stromverlaufs realisiert ist. Dabei ist die untere Stromschwelle I_lim1 eine vom Maximalstrom des Schaltelements und/oder von der aktuellen Last abhängige Größe.
Zusätzlich zur bereits beschriebenen unteren Stromschwelle I_lim1 wird eine obere Stromschwelle I_1im2 definiert, sodass das Schaltelement erst mit hoher Schaltgeschwindigkeit betrieben wird, wenn der Strom im Lastelement diese obere Stromschwelle I_lim2 unterschritten hat. Entsprechend wird die Schaltgeschwindigkeit reduziert, wenn der Strom I_a im Lastelement die obere Stromschwelle I_lim2 überschritten hat. Die Differenz ΔI der Stromschwelle zum Strommaximum I_max im Lastelement wird absolut oder bezogen auf den Strommaximum I_max definiert. Die Zeitverläufe sind in der 7 dargestellt.
Der Bereich der hohen Verlustleistung ist dabei abhängig von der Stromschwelle I_lim2 der Strombegrenzung sowie von der Spannungsschwelle U_ao der LED. Der prinzipielle Verlauf der relativen Verlustleistung im Schaltelement ist in der 8 dargestellt.
Die Festlegung der Schwelle kann dabei im Voraus oder während des Betriebs erfolgen. Zur Ermittlung der oberen Stromschwelle I_lim2 im Betrieb wird zuerst der Maximalwert I_max des Stroms z. B. über einen so genannten Peak-Detektor oder über eine zum PWM-Signal synchrone Einfach- oder Mehrfachabtastung des Stroms bestimmt. Aus diesem Maximalwert I_max wird dann wie beschrieben der Stromschwelle I_lim2 ermittelt und vorzugsweise kontinuierlich mit dem aktuellen Laststrom I_a verglichen.
Die Zeiten während des Schaltens, in denen der Strom nahezu konstant ist, können jedoch das Puls-Pausen-Verhältnis negativ beeinflussen, sodass das Puls-Pausen-Verhältnis der Ansteuerung von dem des Laststroms I_a abweicht. Als Gegenmaßnahme kann über ein weiteres Abtast-Halte-Glied synchron zum oberen Stromschwelle I_lim2 des Laststroms I_a der dazugehörige Spannungswert am Lastelement gemessen werden. In Abhängigkeit davon kann oberhalb dieses Spannungswerts die obere Spannungsschwelle U_ao definiert werden, oberhalb dessen die Schaltgeschwindigkeit erhöht wird, um durch Reduktion der Totzeiten die Übereinstimmung des eingestellten Tastverhältnisses mit dem tatsächlichen zu erhöhen. Zusätzlich wird der Maximalwert der Spannung des Lastelementes des gleichen Pulses bzw. der Spannungswert, der zeitgleich mit dem Strommaximum auftritt, ermittelt und mit der unteren Spannungsschwelle U_ao verglichen. Abhängig von der Differenz der beiden Werte werden die zugehörige obere Spannungsschwelle U_ao sowie die Stromschwelle I_lim2 als gültige Werte akzeptiert oder verworfen, um zu verhindern, dass bei einem Nicht-Erreichen der Strombegrenzung durch niedrige Versorgungsspannung falsche Schwellen übernommen werden.
Entsprechend kann beim Erreichen der unteren Stromschwelle I_lim1 der zugehörige Spannungswert am Lastelement gemessen werden und knapp unterhalb davon die untere Spannungsschwelle U_au definiert werden, unterhalb dessen die Schaltgeschwindigkeit ebenfalls erhöht wird.
Zu Beginn werden die Schwellen U_au, U_ao, I_lim1, I_lim2 auf den jeweils erwarteten Wert bzw. dessen Minimal- oder Maximalwert festgelegt.
Die 9 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens zum Anpassen des Schaltverhaltens gemäß der 7.
Die 10a, 10b, 10c zeigen das detaillierte Schaltverhalten bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anpassung der Schaltgeschwindigkeit bei einem nichtlinearen Lastelement mit einem Verlauf der relativen Verlustleistung bzgl. der relativen Ausgangsspannung gemäß der 8.

Die 10a zeigt das Schaltverhalten, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist.

Bereich	Spannung am Gate: U_g	Ausgangsstrom: I	Schalt-Geschwindigkeit	In diesem Bereich ist die Verlustleistung ...
A	U_g < U_gu	I < I_lim1	Hoch	klein
B, C	U_gu < U_g < U_go	I < I_lim1	Niedrig	klein
^D	U_gu < U_g < U_go	I_lim1 < I < I_lim2	Hoch	groß
E, F	U_gu < U_g < U_go	I > I_lim2	Niedrig	klein
G	U_g > U_go	I > I_lim2	Hoch	klein

Tabelle 1

Die Tabelle 1 und die 10a zeigen einen ersten Fall, wobei in den Bereichen B und F die Schaltgeschwindigkeit niedrig gesetzt ist. Die Schwellen U_au und U_ao finden hierbei, insbesondere bei den Übergängen zwischen B und C und zwischen E und F noch keine Verwendung.
Die 10b zeigt den Stromverlauf mit der dazugehörigen Pulsdauer für das Schaltverhalten gemäß der Tabelle 1 und der 10a. Außerdem ist der idealisierte Stromverlauf für eine Ansteuerung ohne Pulse-Shaping (Pulsformung) und dessen Pulsdauer dargestellt.
Es wird deutlich, dass die Übereinstimmung der beiden Pulsdauern und damit die Duty-Cycle-Treue von der Symmetrie der Bereiche A, B, C mit G, F, E abhängt. Der Unterschied der Pulsdauern ergibt sich aus der Differenz zwischen der Dauer der Bereiche E, F, G und der Dauer der Bereiche A, B, C: ΔTon = Ton-effektiv – Ton-ideal = tE + tF + tG – tA – tB – tC
Da t_F, die Dauer des Bereiches F von der Versorgungsspannung abhängig ist, und somit während des Betriebs auch kurzzeitig nicht konstant sein muss, kann dies störende Helligkeitsschwankungen hervorrufen.

Aus diesem Grund soll die Schaltgeschwindigkeit in den Bereichen B und F erhöht werden, wie dies aus gleichem Grund bereits für die Bereiche A und G durchgeführt wurde. Damit entsteht ein weiteres verbessertes Schaltverhalten, wie es die Tabelle 2 und die 10c zeigen. Demnach reduziert die Reduktion der Zeiten t_B und t_F auch deren Einfluss auf den Fehler der Pulsdauer ΔT_on. Hier finden die Schwellen U_gu und U_go keine Verwendung mehr. Sie werden durch die Schwellen U_au, bzw. U_ao ersetzt.

Bereich	Ausgangsspannung: U_a	Ausgangsstrom: I	Schalt-Geschwindigkeit	In diesem Bereich ist die Verlustleistung ...
A	U_a < U_au	I < I_lim1	Hoch	klein
B	U_a < U_au	I < I_lim1	Hoch	klein
C	U_au < U_a < U_ao	I < I_lim1	Niedrig	klein
D	U_au < U_a < U_ao	I_lim1 < I < I_lim2	Hoch	groß
E	U_au <U_a < U_ao	I > I_lim2	Niedrig	klein
F	U_a > U_ao	I > I_lim2	Hoch	klein
G	U_a > U_ao	I > I_lim2	Hoch	klein

Tabelle 2

Das Schaltelement wird erst mit hoher Schaltgeschwindigkeit betrieben, wenn der Strom im Lastelement eine untere Stromschwelle I_lim1 überschritten hat, wie in dem Bereich D der Fall ist. Entsprechend wird die Schaltgeschwindigkeit reduziert, wenn der Strom im Lastelement unterhalb der unteren Stromschwelle I_lim1 liegt, wie beim Übergang von dem Bereich D zu dem Bereich C.
Die obere Stromschwelle I_lim2 kann für wechselnde Lasten oder für Lasten, bei denen z. B. eine Temperaturänderung eine Variation in der Strombegrenzung des Lastelementes zur Folge hat, nicht fest vorgegeben werden. Diese Schwelle muss im Betrieb ermittelt werden, und kann dann als temporär konstant angenommen werden.
Zur Ermittlung dieser Stromschwelle I_lim2 im Betrieb, wird der Maximalstrom I_max eines vorhergehenden Pulses ermittelt. Die Schwelle I_lim2 muss damit knapp unterhalb dieses Maximalwertes liegen: Ilim2 = Imax – ΔI
Dabei kann ΔI ein fester Wert oder ein prozentualer Wert δ sein. Bei dem Fall, dass es ein prozentualer Wert δ ist, wird die obere Stromschwelle I_lim2 wie folgt ermittelt: Ilim2 = (1 – δ) × Imax
Ist das Lastelement eine LED mit Vorwiderstand ohne Strombegrenzung, wie es in der
4 der Fall ist, so ändert sich der Wert I_max nahezu linear mit der Versorgungsspannung U_bat. Da die Versorgungsspannung U_bat jedoch ständig gemessen werden kann, ist es sinnvoller, anstelle der Stromschwelle I_lim2 eine Schwelle U_a2 (nicht U_au oder U_ao) bezogen auf die Ausgangsspannung U_a zu wählen, die von der Versorgungsspannung abhängig ist. U_a2 wird folgendermaßen gewählt: Ua2 = UKL30 – RDS-on × I – ΔU,mit

U_bat: : Versorgungsspannung,
R_DS-on × I: : die am Schaltelement abfallende Spannung,
ΔU:: fester oder zur Versorgungsspannung prozentualer Wert.

Aufgrund der geringen am Schaltelement abfallenden Spannung kann auch U_a2 prozentual angegeben werden: Ua2 = (1 – δ) × UKL30
Die untere Spannungsschwelle U_au wird wie folgt bestimmt. Die Stromschwelle I_lim1 ist bereits bekannt. Beim Durchlauf eines Pulses wird zeitgleich die Ausgangsspannung U_a und der Strom I abgetastet. Zum Zeitpunkt t₁ erreicht der Strom I die untere Stromschwelle: I(t₁) = I_lim1. Zeitgleich erreicht die Ausgangsspannung U_a den Wert U_a(t₁). Die Spannungsschwelle U_au wird knapp unterhalb dieses Wertes U_a(t₁) festgelegt: U_au = U_a(t₁) – ΔU₁. Bei der Festlegung der Größe von ΔU₁ ist darauf zu achten, dass bei der unteren Spannungsschwelle U_au der Strom I noch bzw. schon nahezu Null ist.
Ähnlich wird die obere Spannungsschwelle U_ao wird wie folgt bestimmt. Die obere Stromschwelle I_lim2 ist bereits bekannt. Bei dem Durchlauf eines Pulses wird zeitgleich die Ausgangsspannung U_a und der Strom I abgetastet. Zum Zeitpunkt t₂ erreicht der Strom die obere Stromschwelle: I(t₂) = I_lim2. Zeitgleich erreicht die Ausgangsspannung U_a den Wert U_a(t₂). Die Spannungsschwelle U_ao wird knapp oberhalb dieses Wertes U_a(t₂) festgelegt: U_ao = U_a(t₂) + ΔU₂. Bei der Festlegung der Größe von ΔU₂ ist darauf zu achten, dass bei der oberen Spannungsschwelle U_ao der Strom I noch bzw. schon nahezu der Maximalwert I_max ist.

110: Leuchtdiode (LED) in Serie mit Vorwiderstand
120: Leuchtdiode in Serie mit Stromquelle
200: MOSFET-Schaltelement
300: Steuerlogik
400: Steuerbare Stromquelle
510, 520, 530: Schmitt-Trigger, Komparator
600: Komparator
700: Inverter
810, 820: Schalter
K1: Relative Verlustleistung PV/P_V-max in Funktion der relativen Ausgangsspannung U_a/U_KL30 bei einem linearen Lastelement
K2: Relative Verlustleistung P_V/P_V-max in Funktion der relativen Ausgangsspannung U_a/U_KL30 bei einem nichtlinearen Lastelement
K3: Relative Verlustleistung P_V/P_V-max in Funktion der relativen Ausgangsspannung U_a/U_KL30 bei einem nichtlinearen Lastelement, wobei maximaler Laststrom nach Oben hin begrenzt ist
S1, S2: Stufenförmige Annäherung der Schaltgeschwindigkeit an die Idealkurve K1, K2 bzw. K3 mit unterschiedlicher Stufenanzahl
B1: Bereich, wo die Verlustleistung P_V trotz der steigenden Ausgangsspannung U_a Null ist
B2: Bereich, wo die relative Verlustleistung PV/P_V-max einen näherungsweise linearen Zusammenhang zu der relativen Ausgangsspannung U_a/U_KL30 aufweist
B3: Bereich, wo der Laststrom I_a bei der mit Stromquelle in Serie geschaltete Leuchtdiode 120 durch diese Stromquelle begrenzt ist
T1: Trennlinie zwischen den Bereichen B1 und B2
T2: Trennlinie zwischen den Bereichen B2 und B3
L1: Normierte Strom-Spannungs-Kennlinie eines linearen Lastelements
L2: Normierte Strom-Spannungs-Kennlinie einer mit einer Stromquelle in Serie betriebenen Leuchtdiode 120
A, B, C, D, E, F, G: Einzelner Bereich beim Schaltvorgang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/057788 [0003, 0006, 0006, 0009, 0032, 0034]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung, insbesondere pulsweitenmodulierten Ansteuerung eines Lastelements mit nichtlinearem Zusammenhang zwischen Spannung und Strom mittels eines elektronischen Schaltelements im Laststromkreis, wobei die Ausgangsspannung (U_a) am Lastelement mit einer variablen Schaltgeschwindigkeit gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schaltvorgangs mehrfach, vorzugsweise kontinuierlich der aktuell im Lastelement fließende Laststrom (I_a) erfasst und die momentane Schaltgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem Laststrom (I_a) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schaltvorgangs mehrfach, vorzugsweise kontinuierlich sowohl die aktuelle Verlustleistung als auch der aktuell im Lastelement fließende Laststrom (I_a) erfasst und die momentane Schaltgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Verlustleistung und dem Laststrom (I_a) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schaltvorgangs mehrfach, vorzugsweise kontinuierlich sowohl die aktuelle Ausgangsspannung (U_a) am Lastelement und/oder die aktuelle Spannung (U_g) am Gate-Anschluss des Schaltelements als auch der aktuell im Lastelement fließende Laststrom (I_a) erfasst werden und die momentane Schaltgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der aktuelle Ausgangsspannung (U_a) am Lastelement und/oder die aktuelle Spannung (U_g) am Gate-Anschluss des Schaltelements und dem Laststrom (I_a) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltgeschwindigkeit in dem Bereich hoch gestellt wird, in dem die Verhältnis (dI/dU) des Laststroms (I_a) und der Ausgangsspannung (U_a) annähernd Null ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltgeschwindigkeit in dem Bereich hoch gestellt wird, in dem die Verhältnis (dI/dU) des Laststroms (I_a) und der Ausgangsspannung (U_a) nicht annähernd Null ist und die Verlustleistung hoch ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltgeschwindigkeit in dem Bereich niedrig gestellt wird, in dem die Verhältnis (dI/dU) des Laststroms (I_a) der Ausgangsspannung (U_a) nicht annähernd Null ist aber die Verlustleistung klein ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest zwei Stromschwelle (I_lim1 und I_lim2) für den Laststrom (I_a) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest zwei Spannungsschwelle (U_au und U_ao) für die Ausgangsspannung (U_a) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsschwelle (U_au und U_ao) für die Ausgangsspannung (U_a) in Abhängigkeit von den Schwellen (I_lim1 und I_lim2) des Laststroms (I_a) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert (I_max) des Laststromes (I_a) während eines Pulses erfasst wird und in Abhängigkeit davon eine oder mehrere obere Schwelle (U_ao, I_lim2) bestimmt werden, und der momentan fließende Laststrom (I_a) mit diesen Schwellen (U_ao, I_lim2) verglichen und die Schaltgeschwindigkeit in Abhängigkeit davon gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung derart erfolgt, dass im Bereich der hohen Verlustleistung die Ausgangsspannung (U_a) mit der maximal vorgegebenen Schaltgeschwindigkeit angepasst wird und die Schaltgeschwindigkeit am Beginn und Ende des Schaltvorgangs kleiner als die maximale Schaltgeschwindigkeit ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zur unteren Schwelle (I_lim1) des Laststromes (I_a) zeitgleiche Spannungswert des Lastelementes ermittelt und in Abhängigkeit davon eine untere Spannungsschwelle (U_au) definiert und die Schaltgeschwindigkeit in Abhängigkeit davon gesteuert wird, sodass die Schaltgeschwindigkeit unterhalb dieser Spannungsschwelle (U_au) größer als die minimal vorgegeben Schaltgeschwindigkeit ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zum maximalen Strom (I_max) zugehörige Spannungswert des Lastelementes ermittelt und in Abhängigkeit davon eine obere Spannungsschwelle (U_ao) definiert und die Schaltgeschwindigkeit in Abhängigkeit davon gesteuert wird, sodass die Schaltgeschwindigkeit oberhalb dieser Spannungsschwelle (U_ao) größer als die minimal vorgegeben Schaltgeschwindigkeit ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert der Spannung des Lastelements, oder der zum Strommaximum (I_max) gleichzeitig auftretende Spannungswert, ermittelt und mit der im gleichen Puls auftretenden, vom Maximalstrom (I_max) abhängigen Spannungsschwelle (U_ao) verglichen wird und in Abhängigkeit von deren Differenz die Spannungsschwelle (U_ao) und/oder der vom Maximalstrom (I_max) abhängige Stromschwelle (I_lim2) übernommen oder verworfen wird/werden.