DE102010038489B4

DE102010038489B4 - Hochsetzsteller und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102010038489B4
Application number: DE102010038489.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Knorpp; Michael Ruffer; Stephan Binhack; Wolfgang Mollenkopf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: DE102010038489A1; CN103004072B; US9983603B2; WO2012013409A1; CN103004072A; US20130234683A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Hochsetzstellers bei dem
- dem Hochsetzsteller eine von einer Eingangsspannung (U_E) des Hochsetzstellers unabhängige erste Spannung (U_A1) mit gegenüber der Eingangsspannung (U_E) erhöhtem Spannungsniveau als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben wird, solange die Eingangsspannung (U_E) unterhalb eines ersten Spannungsschwellwertes (U_lim1) liegt, welcher auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung (U_A1) liegt,
- dem Hochsetzsteller eine von der Eingangsspannung (U_E) des Hochsetzstellers abhängige zweite Spannung (U_A2) mit gegenüber der Eingangsspannung (U_E) erniedrigtem Spannungsniveau als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben wird, sobald die Eingangsspannung (U_E) den ersten Spannungsschwellwert (U_lim1) übersteigt, und
- dem Hochsetzsteller wieder die erste Spannung (U_A1) als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben wird, sobald die Eingangsspannung (U_E) unter einen zweiten Spannungsschwellwert (U_lim2) fällt, welcher auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung (U_A1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Spannungsschwellwerte (U_lim1, U_lim2) in Abhängigkeit von der ersten Spannung (U_A1) festgelegt werden
und der zweite Spannungsschwellwert (U_lim2) auf einem niedrigeren Spannungsniveau als der erste Spannungsschwellwert (U_lim1) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochsetzsteller sowie ein verfahren zu dessen Betrieb.
Stand der Technik
Hochsetzsteller - häufig auch als Aufwärtswandler, Boost-Converter oder Step-up-Converter bezeichnet, stellen eine Sonderform eines Gleichspannungswandlers dar und dienen der Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mit einem erhöhten Spannungspotential. Aus den Druckschriften US 2009 / 0 184 699 A1 und EP 1 526 632 A1 sind Hochsetzsteller und Verfahren zu deren Betrieb bekannt. Aufwärtswandler sind seit langem bekannt und werden in vielfältigen Einsatzgebieten, wie zum Beispiel in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug zur Umwandlung einer Niedervolt-Gleichspannung (Bordspannung) in eine Hochvolt-Gleichspannung, eingesetzt. Liegt die Eingangsspannung des Hochsetzstellers dabei nahe an der gewünschten Ausgangsspannung, so beginnt der Hochsetzsteller zu schwingen, da nicht beliebig kleine Übersetzungsverhältnisse eingestellt werden können. Um die Sicherheit und die Verfügbarkeit des Hochsetzsteller zu gewährleisten, ist es notwendig, ein derartiges Aufschwingen des Hochsetzstellers zu vermeiden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Betrieb eines Hochsetzstellers bereit, bei dem dem Hochsetzsteller eine von einer Eingangsspannung des Hochsetzstellers unabhängige erste Spannung mit einem gegenüber der Eingangsspannung erhöhtem Spannungsniveau als Soll-Ausgangsspannung vorgegeben wird, solange die Eingangsspannung unterhalb eines ersten Spannungsschwellwertes liegt, welcher auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung liegt. Sobald die Eingangsspannung den ersten Spannungsschwellwert übersteigt, wird dem Hochsetzsteller eine von der Eingangsspannung des Hochsetzstellers abhängige zweite Spannung mit gegenüber der Eingangsspannung erniedrigtem Spannungsniveau als Soll-Ausgangsspannung vorgegeben. Sobald die Eingangsspannung unter einen zweiten Spannungsschwellwert fällt, welcher auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung liegt, wird dem Hochsetzsteller wieder die erste Spannung als Soll-Ausgangsspannung vorgegeben.
Des Weiteren stellt die vorliegende Erfindung einen Hochsetzsteller zur Umwandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mit erhöhtem Spannungsniveau bereit, welcher mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein erster Spannungsschwellwert für die Eingangsspannung des Hochsetzstellers festgelegt, welcher mit ausreichendem Abstand unterhalb der ersten Spannung, welche eine herkömmliche Soll-Ausgangsspannung eines Hochsetzstellers darstellt, liegt. Auf diese Weise wird ein erster Betriebsbereich definiert, in welchem ein Aufschwingen des Hochsetzstellers sicher vermieden wird. Bei Erreichen des ersten Spannungsschwellwertes wird eine zweite Spannung als Soll-Ausgangsspannung vorgegeben, welche, vorzugsweise um einen vorgebbaren Betrag, unterhalb der Eingangsspannung des Hochsetzstellers liegt. Dadurch wird ein zweiter Betriebsbereich des Hochsetzstellers geschaffen, in welchem der Hochsetzsteller faktisch deaktiviert ist, so dass auch in diesem Betriebsbereich ein Aufschwingen des Hochsetzstellers sicher vermieden wird. Der erste Spannungsschwellwert wird dabei sinnvoll derart festgelegt, dass einerseits keine Gefahr eines Aufschwingens des Hochsetzstellers besteht, andererseits die neue, knapp unterhalb der Eingangsspannung liegende Soll-Ausgangsspannung aber ausreicht, um nachfolgende Schaltungskomponenten sicher betreiben zu können. Fällt die Eingangsspannung wieder unter einen zweiten Spannungsschwellwert, welcher ebenfalls unterhalb der ersten Spannung liegt, so wird dem Hochsetzsteller wieder die erste Spannung als Soll-Ausgangsspannung vorgegeben und somit wieder in den ersten Betriebsbereich zurückgekehrt. Der zweite Spannungsschwellwert wird dabei sinnvoll derart festgelegt, dass einerseits nach dem Umschalten auf die erste Soll-Ausgangsspannung mit Sicherheit keine Gefahr eines Aufschwingens des Hochsetzstellers mehr besteht, andererseits aber die vor dem Erreichen des zweiten Schwellwertes noch vorgegebene, knapp unterhalb der Eingangsspannung liegende zweite Soll-Ausgangsspannung ausreicht, um nachfolgende Schaltungskomponenten sicher betreiben zu können.
Da die in dem ersten Betriebsbereich des Hochsetzstellers als Soll-Ausgangsspannung vorgegebene erste Spannung während des Betriebs variieren kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Spannungsschwellwerte in Abhängigkeit von der ersten Spannung festzulegen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass einerseits so spät wie möglich auf die zweite Spannung als Soll-Ausgangsspannung gewechselt wird und andererseits so früh wie möglich wieder zur ersten Spannung als Soll-Ausgangsspannung zurückgekehrt wird.
Um ein ständiges Hin- und Herschalten der Soll-Ausgangsspannung zwischen der ersten und der zweiten Spannung zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Spannungsschwellwert auf einem niedrigeren Spannungsniveau als der erste Spannungsschwellwert liegt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Spannungen an einem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller gemäß eines ersten Anwendungsfalles und
2 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Spannungen an einem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller gemäß eines zweiten Anwendungsfalles.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Eingangsspannung U_E und der Soll-Ausgangsspannung U_A_SOLL eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen nicht weiter dargestellten Hochsetzstellers. In einem ersten Zeitbereich von T0 bis T1 steigt die Eingangsspannung kontinuierlich an, liegt aber stets unterhalb eines ersten Spannungsschwellwertes U_lim1, welcher unterhalb einer ersten Spannung U_A1 festgelegt ist. In diesem Zeitbereich (T0-T1) wird dem Hochsetzsteller die von der Eingangsspannung unabhängige erste Spannung U_A1 als Soll-Ausgangsspannung U_A_SOLL vorgegeben. Die erste Spannung U_A1 definiert dabei ein gegenüber der Eingangsspannung U_E erhöhtes Spannungsniveau, welches für die sichere Funktionsfähigkeit nachfolgender Schaltungskomponenten erforderlich ist. Die erste Spannung U_A1 ist in 1 als Konstantspannung dargestellt, kann aber auch zeitlich variabel sein. Zumindest in diesem Fall ist es sinnvoll, den ersten Spannungsschwellwert U_lim1 in Abhängigkeit von der ersten Spannung U_A1 festzulegen, um ein Aufschwingen des Hochsetzstellers stets sicher zu vermeiden.
Zum Zeitpunkt T1 übersteigt die Eingangsspannung U_E den ersten Spannungsschwellwert U_lim1, woraufhin dem Hochsetzsteller eine zweite Spannung U_A2 als neue Soll-Ausgangsspannung vorgegeben wird. Die zweite Spannung U_A2 wird abhängig von der Eingangsspannung U_E des Hochsetzstellers vorgegeben und liegt vorzugsweise um einen vorgebbaren Betrag unterhalb der Eingangsspannung U_E. Die Soll-Ausgangsspannung U_A_SOLL folgt insofern der Eingangsspannung U_E auf einem gegenüber der Eingangsspannung U_E erniedrigtem Spannungsniveau. Faktisch bedeutet diese Festlegung einer Soll-Ausgangsspannung U_A_SOLL unterhalb der Eingangsspannung U_E des Hochsetzstellers eine Deaktivierung des Hochsetzstellers. Auf diese Weise wird ein Aufschwingen des Hochsetzstellers auch in diesem zweiten Betriebsbereich sicher vermieden. Zu einem Zeitpunkt T2 unterschreitet die Eingangsspannung einen zweiten Spannungsschwellwert U_lim2, welcher ebenfalls auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung U_A1 und auch auf einem niedrigeren Spannungsniveau als der erste Spannungsschwellwert U_lim1 liegt. Zu diesem Zeitpunkt wird dem Hochsetzsteller wieder die ursprüngliche Soll-Ausgangsspannung in Form der ersten Spannung U_A vorgegeben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Aufschwingen des Hochsetzstellers unabhängig von der Eingangsspannung sicher vermieden, ohne jedoch den Betrieb nachfolgender Schaltungskomponenten zu beeinträchtigen.
Neben dem Betrieb als Hochsetzsteller können Gleichspannungswandler auch als Tiefsetzsteller - häufig auch als Abwärtswandler, Step-Down-Converter oder Buck-Converter bezeichnet - ausgestaltet sein. Derartige Tiefsetzsteller werden zum Beispiel in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zur Umwandlung einer Hochvolt-Gleichspannung in eine Niedervolt-Gleichspannung (Bordspannung) eingesetzt. Bestimmte Kombinationen von vorhandener Hochspannung und vorgegebener Niederspannung können jedoch aufgrund der Architektur eines Gleichspannungswandlers problematisch sein, da der feste Aufbau aus Voll- und Halbbrücken sowie das Wicklungsverhältnis eines Transformators nicht für jeden denkbaren Arbeitspunkt geeignet sein kann. In einem derartigen Fall wird eine dritte, außerhalb des Gleichspannungswandlers nicht sichtbare Spannung in Form einer Zwischenkreisspannung eingeführt, welche oberhalb der Hochspannung liegt und derart gewählt wird, dass sich für die jeweils vorhandene Kombination von Voll-, Halbbrücke und Transformator und der vorgegebenen Niederspannung ein idealer Arbeitspunkt ergibt.
Um die vorhandene Hochspannung auf die auf einem höheren Spannungsniveau liegende Zwischenkreisspannung anzuheben, wird wiederum ein Hochsetzsteller eingesetzt. Insofern wird der gewünschte Tiefsetzsteller durch einnen kombinierten Hoch-Tiefsetzsteller realisiert, wobei dem „echten“ Tiefsetzsteller ein Hochsetzsteller vorgeschaltet wird, welcher die Eingangsspannung zunächst auf ein noch höheres Spannungsniveau anhebt, bevor der „echte" Tiefsetzsteller es nachfolgend auf das gewünschte niedrige Spannungsniveau absenkt. Wird dabei die Differenz zwischen Hoch- und Zwischenkreisspannung und infolgedessen der Abstand von Ein- und Ausgangsspannung des Hochsetzstellers zu klein, so beginnt der Hochsetzsteller zu schwingen, da nicht beliebig kleine Übersetzungsverhältnisse eingestellt werden können. Insofern ergibt sich dieselbe Problematik wie bei dem Anwendungsfall gemäß 1.
2 zeigt, analog zu 1, schematisch die zeitlichen Verläufe der Eingangsspannung U_HV (Hochspannung), der Ausgangsspannung U_NV (Niederspannung) sowie der als Soll-Ausgangsspannung des Hochsetzstellers dienenenden Zwischenkreisspannung U_ZK des kombinierten Hoch-Tiefsetzstellers bei Betrieb des Hochsetzstellers mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die zu 1 gemachten Aussagen gelten analog.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Hochsetzstellers bei dem - dem Hochsetzsteller eine von einer Eingangsspannung (U_E) des Hochsetzstellers unabhängige erste Spannung (U_A1) mit gegenüber der Eingangsspannung (U_E) erhöhtem Spannungsniveau als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben wird, solange die Eingangsspannung (U_E) unterhalb eines ersten Spannungsschwellwertes (U_lim1) liegt, welcher auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung (U_A1) liegt, - dem Hochsetzsteller eine von der Eingangsspannung (U_E) des Hochsetzstellers abhängige zweite Spannung (U_A2) mit gegenüber der Eingangsspannung (U_E) erniedrigtem Spannungsniveau als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben wird, sobald die Eingangsspannung (U_E) den ersten Spannungsschwellwert (U_lim1) übersteigt, und - dem Hochsetzsteller wieder die erste Spannung (U_A1) als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben wird, sobald die Eingangsspannung (U_E) unter einen zweiten Spannungsschwellwert (U_lim2) fällt, welcher auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung (U_A1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsschwellwerte (U_lim1, U_lim2) in Abhängigkeit von der ersten Spannung (U_A1) festgelegt werden und der zweite Spannungsschwellwert (U_lim2) auf einem niedrigeren Spannungsniveau als der erste Spannungsschwellwert (U_lim1) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Spannung (U_A2) derart festgelegt wird, dass sie um einen vorgebbaren Betrag unterhalb der Eingangsspannung (U_E) liegt.
Hochsetzsteller zur Umwandlung einer Eingangsspannung (U_E; U_HV) in eine Ausgangsspannung (U_A; U_ZK) mit erhöhtem Spannungsniveau, welcher mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 betrieben wird.