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Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Auf- und Abwärtswandler zum Transportieren elektrischer Energie von einem ersten Netz zu einem zweiten Netz
- – mit einem ersten Eingang zum Erfassen einer Spannung im ersten Netz,
- – mit einem zweiten Eingang zum Erfassen einer Spannung im zweiten Netz,
- – mit mindestens einem Mittel zum Bestimmen eines durch die Spannung im ersten Netz und die Spannung im zweiten Netz vorgegebenen Betriebsmodus des Auf- und Abwärtswandlers, darunter ein Aufwärtsbetrieb, wenn die Spannung im ersten Netz kleiner ist als die Spannung im zweiten Netz, und ein Abwärtsbetrieb, wenn die Spannung im ersten Netz größer ist als die Spannung im zweiten Netz,
- – mit einem ersten Ausgang, an welchem ein erstes Signal zum Ein- und Ausschalten eines ersten Schalters des Auf- und Abwärtswandlers im Aufwärtsbetrieb abgreifbar ist,
- – mit einem zweiten Ausgang, an welchem ein zweites Signal zum Ein- und Ausschalten eines zweiten Schalters des Auf- und Abwärtswandlers im Abwärtsbetrieb abgreifbar ist, und
- – mit einem oder mehreren Steuermitteln zum Erzeugen des ersten Signals und des zweiten Signal, wobei die Steuermittel einen PWM-Regler umfassen,
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Steuerschaltungen zum Steuern eines Auf- und Abwärtswandlers zum Transportieren elektrischer Energie vom ersten Netz zum zweiten Netz sind aus dem Stand der Technik bekannt. Wie ein Auf- und Abwärtswandler im Aufwärtsbetrieb bzw. im Abwärtsbetrieb betrieben werden kann, um den Energietransport vorzunehmen, ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. Auf- und Aufwärtswandler werden häufig in Bordnetzen, insbesondere von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
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Auf- und Abwärtswandler der eingangs genannten Art funktionieren im Auf- bzw. Abwärtsbetrieb nur dann, wenn bestimmte Randbedingungen erfüllt sind. So muss im Abwärtsbetrieb sichergestellt sein, dass die Spannung im ersten Netz deutlich größer als die Spannung im zweiten Netz ist. Im Aufwärtsbetrieb darf kein Zustand vorliegen, in dem die Spannung im ersten Netz ungefähr der Spannung im zweiten Netz entspricht. Es gilt daher die Forderung, dass zum Aufwärtsbetrieb die Spannung im ersten Netz kleiner als die Spannung im zweiten Netz sein muss.
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Diese Randbedingungen führen dazu, dass in den Fällen, in denen die Spannung im ersten Netz ungefähr der Spannung im zweiten Netz entspricht und in den Fällen in denen die Spannung nur geringfügig größer ist als die Spannung im zweiten Netz keiner der beiden Betriebsmodi eingenommen werden kann. Ein Energietransport ist dann vom ersten in das zweite Netz nicht möglich.
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Es soll allerdings durch das Unternehmen Linear Technology Corporation eine Steuerschaltung bekannt geworden sein, die einen dritten Betriebsmodus kennt, welcher eingenommen wird, wenn ein Betrag einer Differenz zwischen der Spannung im zweiten Netz und der Spannung im ersten Netz kleiner als ein vorgegebener Wert ist. Wie der Auf- und Abwärtswandler in diesem dritten Betriebsmodus arbeitet, ist allerdings nicht bekannt. Bekannt ist lediglich, dass es aufwändig ist, die Steuerschaltung von Linear Technology zu beschaffen.
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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Steuerschaltung so weiter zu entwickeln, dass eine alternative Steuerschaltung zu der bekannten Steuerschaltung bereitsteht, die im Übergangsbereich zwischen einem Aufwärtsbetrieb und einem Abwärtsbetrieb zuverlässig funktioniert.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Mittel zum Bestimmen des Betriebmodus geeignet und eingerichtet ist, als weitere Betriebsmodi
- – einen ersten Mischbetrieb des Auf- und Abwärtswandlers zu bestimmen, wenn die Spannung im ersten Netz größer ist als die Spannung im zweiten Netz und der Betrag der Differenz der Spannungen kleiner ist als ein vorbestimmter erster Wert und
- – einen zweiten Mischbetrieb des Auf- und Abwärtswandlers zu bestimmen, wenn die Spannung im ersten Netz kleiner ist als die Spannung im zweiten Netz und der Betrag der Differenz der Spannungen kleiner ist als ein vorbestimmter zweiter Wert
zu bestimmen.
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Der erste und der zweite Wert können gleich oder unterschiedlich sein. Bei der Erfindung wird im Übergangsbereich zwischen dem Aufwärtsbetrieb und dem Abwärtsbetrieb zwischen zwei durch die Spannung im ersten Netz und die Spannung im zweiten Netz vorgegebenen Betriebsmodi unterschieden. In diesen beiden zusätzlichen Betriebsmodi, dem ersten Mischbetrieb und dem zweiten Mischbetrieb wird der Auf- und Abwärtswandler anders gesteuert, als es bisher bekannt ist. Er wird im ersten und zweiten Mischbetrieb auch anders gesteuert als im Aufwärtsbetrieb oder im Abwärtsbetrieb. Sowohl im ersten Mischbetrieb als auch im zweiten Mischbetrieb können der erste Schalter als auch der zweite Schalter des Auf- und Abwärtswandlers geschlossen und geöffnet werden.
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Die Steuermittel einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung können erste Elemente zum Erzeugen von Steuersignalen aus einem periodischen Taktsignal aufweisen. Diese Steuersignale sind von Messgrößen, wie zum Beispiel der Spannung im ersten Netz oder der Spannung im zweiten Netz unabhängig. Sie sind vorteilhaft ausschließlich aus dem Taktsignal abgeleitet.
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Mit den ersten Elementen zum Erzeugen von Steuersignalen können beispielsweise folgende Steuersignale erzeugt werden:
- – ein erstes Steuersignal durch logische Verknüpfungen aus dem Taktsignal und einem durch Verzögerung des Taktsignals um eine erste Zeitdauer entstandenen Signals,
- – ein zweites Steuersignal durch Verzögerung des ersten Steuersignals um eine zweite Zeitdauer,
- – ein drittes Steuersignal durch Verzögerung des Taktsignals um eine dritte Zeitdauer,
- – ein viertes Steuersignal durch logische Verknüpfungen aus dem Taktsignal und dem dritten Steuersignal und/oder
- – ein fünftes Steuersignal durch Verzögerung des vierten Steuersignals um eine vierte Zeitdauer.
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Es kann gelten, dass die dritte Zeitdauer die längste ist, die erste und die vierte Zeitdauer kleiner als die erste und ungefähr gleich groß sind und dass die zweite Zeitdauer die kürzeste Zeitdauer ist. Die dritte Zeitdauer kann beispielsweise 100 ns, die erste und die vierte Zeitdauer können beispielsweise 30 ns und die zweite Zeitdauer kann beispielsweise 15 ns betragen. Die Dauer einer Taktperiode kann 2500 ns betragen. Die Einschaltzeit des Taktsignals kann 400 ns betragen. Die Länge der Zeitdauern kann von den verwendeten ersten Elementen zum Erzeugen der Steuersignale und von den in den Auf- und Abwärtsschaltern verwendeten Schaltern und ggf. weiteren Steuermitteln abhängen.
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Bei den ersten Elementen zum Erzeugen der Steuersignale kann es sich um Logikgatter und Verzögerungsstufen handeln.
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Die Steuermittel einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung können im ersten Mischbetrieb und im zweiten Mischbetrieb in Abhängigkeit eines Ausgangssignals des PWM-Reglers und in Abhängigkeit von einem oder mehreren Steuersignalen das erste Signal und das zweite Signal so erzeugen, dass während einer Periode des Taktsignals der erste Schalter und der zweite Schalter betätigt werden. Im ersten Mischbetrieb wie im zweiten Mischbetrieb kann somit eine Aufwärtswandlung wie auch eine Abwärtswandlung stattfinden. Die Energie, die während eines Mischbetriebs innerhalb einer Periode des Taktsignals übertragen werden kann, kann dadurch kleiner sein, als die geringste Menge Energie, die im Aufwärtsbetrieb oder im Abwärtsbetrieb in die eine oder die andere Richtung übertragen werden kann.
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Das Steuermittel einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung kann
- – eine erste bistabile Kippstufe zum Erzeugen des ersten Signals in einem gesetzten Zustand der ersten bistabilen Kippstufe,
- – eine zweite bistabile Kippstufe zum Erzeugen des zweiten Signals in einem gesetzten Zustand der zweiten bistabilen Kippstufe
- – sowie zweite Elemente umfassen, die einem Setz-Eingang der ersten Kippstufe und/oder der zweiten Kippstufe und/oder einem Rücksetz-Eingang der ersten Kippstufe und/oder der zweiten Kippstufe vorgeschaltet sind.
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Auch bei den zweiten Elementen kann es sich um Logikgatter handeln.
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Die zweiten Elementen können dazu geeignet und eingerichtet sein, die von den ersten Elementen der Steuermittel erzeugten Steuersignale zu verarbeiten und insbesondere mit den Betriebsmodus anzeigenden Signalen oder dem Ausgangssignal des PWM-Reglers zu verknüpfen.
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Der Setz-Eingang der ersten Kippstufe kann mit einem oder mehreren der ersten Elemente zum Erzeugen von Steuersignalen verbunden sein. Der Setz-Eingang der ersten Kippstufe kann beispielsweise mit dem Ausgang des ersten Elements des Steuermittels verbunden sein, an dem das fünfte Steuersignal abgreifbar ist.
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Die Unteransprüche 7 bis 10 betreffen die erste Kippstufe. Davon betreffen Anspruch 7 und 8 den ersten Mischbetrieb und Anspruch 9 und 10 den zweiten Mischbetrieb. Anspruch 7 und 9 betreffen das Setzen der ersten Kippstufe. Anspruch 8 und 10 betreffen das Rücksetzen der ersten Kippstufe.
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Die ersten Elemente und/oder zweiten Elemente können im ersten Mischbetrieb ein Setzsignal zum Setzen der ersten Kippstufe in Abhängigkeit von dem fünften Steuersignal der Steuersignale erzeugen.
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Die ersten und/oder zweiten Elemente des Steuermittels der erfindungsgemäßen Steuerschaltung können im ersten Mischbetrieb ein Rücksetzsignal zum Rücksetzen der ersten Kippstufe in Abhängigkeit eines Ergebnisses einer ODER-Verknüpfung des vierten Steuersignals der Steuersignale und des Ausgangssignals des PWM-Reglers erzeugen.
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Die ersten und/oder zweiten Elemente des Steuermittels der erfindungsgemäßen Steuerschaltung können im zweiten Mischbetrieb ein Setzsignal zum Setzen der ersten Kippstufe in Abhängigkeit des ersten Steuersignals erzeugen.
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Die ersten und/oder zweiten Elemente können im zweiten Mischbetrieb ein Rücksetzsignal zum Rücksetzen der ersten Kippstufe in Abhängigkeit des Ergebnisses einer UND-Verknüpfung des dritten Steuersignals der Steuersignale und des Ausgangssignals (PWMOut) des PWM-Reglers erzeugen.
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Die Unteransprüche 11 bis 14 betreffen die zweite Kippstufe. Davon betreffen Anspruch 11 und 12 den ersten Mischbetrieb und Anspruch 13 und 14 den zweiten Mischbetrieb. Anspruch 11 und 13 betreffen das Setzen der ersten Kippstufe. Anspruch 12 und 14 betreffen das Rücksetzen der ersten Kippstufe.
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Die ersten und/oder zweiten Elemente des Steuermittels einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung können im ersten Mischbetrieb ein Setzsignal zum Setzen der zweiten Kippstufe in Abhängigkeit eines Ergebnisses einer UND-Verknüpfung des Ausgangssignals des PWM-Reglers, eines Signals, welches anzeigt, das während eines Aus-Zustands des ersten Steuersignals das Ausgangssignal des PWM-Reglers in den Ein-Zustand gewechselt ist, und des zweiten Steuersignals der Steuersignale erzeugen.
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Gemäß der Erfindung können die ersten und/oder zweiten Elemente im ersten Mischbetrieb ein Rücksetzsignal zum Rücksetzen der zweiten Kippstufe in Abhängigkeit des Ausgangssignals des PWM-Reglers erzeugen.
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Die ersten und/oder zweiten Elemente des Steuermittels einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung können im zweiten Mischbetrieb ein Rücksetzsignal zum Setzen der zweiten Kippstufe in Abhängigkeit eines Ergebnisses einer UND-Verknüpfung des Ausgangssignals des PWM-Reglers und des zweiten Steuersignals erzeugen.
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Erfindungsgemäß können die ersten und/oder zweiten Elemente im zweiten Mischbetrieb ein Rücksetzsignal zum Rücksetzen der zweiten Kippstufe in Abhängigkeit des Ausgangssignals des PWM-Reglers erzeugen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung können die Schalter des Auf- und Abwärtswandlers im ersten oder zweiten Mischbetrieb so angesteuert werden, dass Schaltvorgänge zum Teil aufgrund des Zeitablaufs und zum Teil aufgrund der sich im zweiten Netz einstellenden elektrischen Größen und von Sollgrößen ausgelöst werden. Es kann sein, dass eine Steuerung ausschließlich durch den PWM-Regler nicht erfolgt.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 eine Darstellung eines Auf- und Abwärtswandlers mit einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung,
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2 einen Drosselstrom-Emulator der erfindungemäßen Steuerschaltung,
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3 einen Teil eines Reglers der erfindungemäßen Steuerschaltung,
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4 erste Elemente eines Steuermittels der erfindungemäßen Steuerschaltung,
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5 einen Teil von zweiten Elementen des Steuermittels der erfindungemäßen Steuerschaltung,
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6 einen Teil von zweiten Elementen und eine erste bistabile Kippstufe des Steuermittels der erfindungemäßen Steuerschaltung,
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7 einen Teil von zweiten Elementen und eine zweite bistabile Kippstufe des Steuermittels der erfindungemäßen Steuerschaltung.
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In 1 ist ein idealisierter Auf- und Abwärtswandler W dargestellt, der Energie von einem ersten Netz BN1 zu einem zweiten Netz BN2 übertragen kann. Es ist aber auch denkbar, die Erfindung für einen bidirektionalen Auf- und Abwärtswandler zu nutzen, der Energie sowohl vom ersten zum zweiten Netz Übertragen kann als auch umgekehrt.
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Der Auf- und Abwärtswandler W weist einen ersten steuerbaren Schalter SWT1, ein erstes Gleichrichtelement DB1, einen zweiten steuerbaren Schalter SWB2, ein zweites Gleichrichtelement DT2, ein induktives Speicherelement L1, einen Eingangskondensator C1 und einen Ausgangskondensator C2 auf.
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Ferner sind ein Mittel zur Spannungserfassung der Spannung V(BN1) im ersten Netz BN1, ein Mittel zur Spannungserfassung der Spannung V(BN2) im zweiten Netz BN2 und ein Mittel zur Erfassung des mittleren, aus dem ersten Netz BN1 in den Auf- und Abwärtswandler W fließenden Stroms I1avg vorgesehen. Ein Taktsignal Clk und eine Sollspannung BN2soll im zweiten Netz werden von außen vorgegeben. Ein externer Pulsgenerator liefert dazu periodische Impulse Clk der Einschaltdauer TeinClk und der Periode TauClk.
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Ferner ist ein PWM-Regler dargestellt, dessen zwei Teile in der 1 mit R und PWM bezeichnet sind. Der mit R bezeichneteTeil vergleicht Soll- und Istwert der Spannung V(BN2) und erzeugt daraus das Reglersignal RegOut. Weitere Regler könnten beispielsweise den Strom oder die Stromänderungsgeschwindigkeit regeln. Der mit PWM bezeichnete Teil vergleicht das Ausgangssignal RegOut des Teils R mit dem Ausgangssignal Trapez des Drosselstrom-Emulators und liefert ein Signal PWM-Out, welches von einem mit Reset_FF & DisCh bezeichneten Block weiter verarbeitet wird. PWM-Out ist 1, wenn das Trapez-Signal größer als das Signal RegOut ist. PWM-Out ist 0, wenn das Trapez-Signal kleiner als das Signal RegOut ist.
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In 1 ist ebenfalls die erfindungsgemäße Steuerschaltung dargestellt.
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Die Steuerschaltung weist Mittel BD, BBD zum Bestimmen eines durch die Spannung V(BN1) im ersten Netz BN1 und die Spannung V(BN2) im zweiten Netz BN2 vorgegebenen Betriebsmodus auf. Das Mittel BBD für den Mischbetrieb liefert das Signal BuckBoost, welches anzeigt, dass ein erster oder ein zweiter Mischbetrieb vorliegt.
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Dazu werden die beiden Bordnetzspannungen z.B. mit einem Fensterkomparator verglichen, der das Signal BuckBoost liefert. Das Mittel BD für den Auf- oder Abwärtsbetrieb vergleicht die Spannungen V(BN1) und V(BN2) der beiden Bordnetze und liefert die Signale Boost und Buck für den Auf- bzw. Abwärtsbetrieb, wenn kein Mischbetrieb vorliegt. Liegt dagegen ein Mischbetrieb vor (BuckBoost = 1), kann anhand der Signale Boost und Buck zwischen dem ersten Mischbetrieb (Buck = 1 und BuckBoost = 1) und einem zweiten Mischbetrieb (Boost = 1 und BuckBoost = 1) unterschieden werden.
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Die Steuerschaltung weist außerdem verschiedene Steuermittel auf, die den Ablauf des Betriebs des Auf- und Abwärtswandlers in den verschiedenen Betriebsmodi bestimmen. Zu den Steuermitteln zählen eine erste bistabile Kippstufe Buck-FF zum Steuern des Schaltelements SWT1 samt äußerer Beschaltung durch zweite Elemente und eine zweite bistabile Kippstufe Boost-FF zum Steuern des Schaltelements SWB2 samt äußerer Beschaltung durch zweite Elemente. Dazu zählen ferner erste Elemente AS und weitere zweite Elemente, die u.a. in dem Block mit der Bezeichnung Reset_FF & DisCh zusammengefasst sind.
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Die ersten Elemente AS dienen der Ablaufsteuerung und erzeugen aus dem von außen angelegten Taktsignal Clk
- – ein erstes Steuersignal Clk1,
- – ein zweites Steuersignal Clk1Del,
- – ein drittes Steuersignal ClkDel,
- – ein viertes Steuersignal Clk2 und
- – ein fünftes Steuersignal Clk2Del.
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Die ersten Elemente AS erzeugen ferner aus dem Taktsignal Clk und den Signalen Buck und Boost noch
- – ein sechstes Steuersignal BoostClk1,
- – ein siebtes Steuersignal BoostClk1Del,
- – ein achtes Steuersignal BuckClk1Del und
- – ein neuntes Steuersignal BuckClk2.
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Die ersten Elemente AS werden von den Signalen Buck und Boost sowie vom periodischen Taktsignal Clk gesteuert, welches die Impulsdauer TeinClk und die Periodendauer TauClk hat. Die ansteigende Flanke von Clk wird zur Erzeugung eines Impulses Clk1 der Dauer TauClk1 benutzt. Die abfallende Flanke wird zur Erzeugung eines Impulses Clk2 benutzt, mit der Impulsdauer TauClk2.
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Für die Signale gilt:
- – ClkDel: = Clk um TauClk2 verzögert
- – Clk1Del: = Clk1 um TauDelClk1 verzögert
- – Clk2Del: = Clk2 um DelClk2 verzögert
- – BuckClk1Del: = Buck·Clk1Del und -verknüpft
- – BoostClk1: = Boost·Clk1 und -verknüpft
- – BoostClk1Del: = Boost·Clk1Del und -verknüpft
- – BuckClk2: = Buck·Clk2 und -verknüpft
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Im Block mit der Bezeichnung Reset_FF & DisCh sind verschiedene zweite Elemente zusammengefasst. Der Block lässt sich unterteilen in eine dritte bistabile Kippstufe Reset-FF mit zweiten Elementen als Beschaltung und einem Entlade-Mono-Flop MF mit zweiten Elementen als Beschaltung.
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Die dritte Kippstufe Reset-FF wird mit Clk2Del gesetzt und mit einem Reset-Signal zurückgesetzt, das von der Beschaltung der dritten Kippstufe Reset-FF erzeugt wird. Die dritte Kippstufe Reset-FF wird als Reset-Speicher benutzt. Die dritte Kippstufe Reset-FF erzeugt genau einen Impuls RSTN pro Periode TauClk des Taktsignals Clk. Das Reset-Signal wird aus der Verknüpfung von PWM-Out, BuckClk2, BoostClk1 und BuckBoost erzeugt: Reset = PWM-Out + (BuckClk2 + BoostClk1)·Not(BuckBoost) Reset ist 1, wenn
- 1. PWM-Out = 1 wird oder
- 2. BuckBoost = 0 und Buck = 1 ist und das Signal Clk2 = 1 wird oder
- 3. BuckBoost = 0 und Boost = 1 ist und das Signal Clk1 = 1 wird.
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Das heißt, dass im Abwärtsbetrieb, im Aufwärtsbetrieb, im ersten Mischbetrieb und im zweiten Mischbetrieb das Signal Reset immer zu 1 wird, wenn PWM-Out = 1 ist und dass im Aufwärtsbetrieb und im Abwärtsbetrieb eine reine Zeitsteuerung durch die aus dem Taktsignal abgeleiteten Steuersignale Clk2 und Clk1 erfolgt.
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Im ersten wie im zweiten Mischbetrieb ist das Signal Reset = 0, solange das Signal PWM-Out = 0 ist.
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Das Entlade-Mono-Flop erzeugt aus dem RSTN- und dem Reset-Signal das Entlade-Signal DisCh der Dauer TauDisCh.
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Ferner weist die erfindungsgemäße Steuerschaltung einen Emulator für einen Strom durch das induktiven Speicherelement L1 (Drosselstrom-Emulator) auf (siehe auch 2). Drosselstrom-Emulatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Anstelle eines Drosselstrom-Emulators kann auch ein Sensor für den Strom durch das induktive Speicherelement L1 verwendet werden. Der dargestellte Drosselstrom-Emulator bildet ein Signal Trapez für den Teil PWM des Reglers. Er benötigt dafür die Signale der Mittel zur Spannungserfassung, des Mittels zur Stromerfassung, eines Entlade-MF des Blocks Reset_FF & DisCh, der ersten Kippstufe Buck-FF, der zweiten Kippstufe Boost-FF, sowie der beiden Mittel BD, BBD zum Bestimmen des Betriebsmodus. Das Signal Trapez setzt sich zusammen aus einem Sägezahn-Signal Iac und dem Signal I1avg. Iac entspricht der Spannung an einem Kondensator C11. Dieser Kondensator C11 wird aus zwei Stromquellen G1, G2 geladen. Der Strom I(G1) ist proportional zur Spannung V(BN1) und der Strom I(G2) ist proportional zur Spannungsdifferenz V(BN1) – V(BN2), wenn diese positiv ist. Des Weiteren wird zur Slope-Kompensation jeweils zu I(G1) und zu I(G2) ein konstanter Strom IG1 bzw. IG2 addiert.
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Die Stromquellen G1, G2 können abgeschaltet werden, indem z.B. ihre Ströme über Schalter SwBuck bzw. SwBoost gegen Masse abgeleitet werden:
I(G1) + IG1 sind aktiv, wenn der Schalter SwBoost abgeschaltet ist, also die Signale B2 = 1 und T1 = 1 sind, was im Aufwärtsbetrieb der Fall ist.
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I(G2) + IG2 sind inaktiv, wenn der Schalter SwBuck eingeschaltet ist. Es gilt dann die logische Verknüpfung SwBuck = (Boost·Not(BuckBoost)) + T1 + (Buck·B2).
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Der Kondensator C11 wird einmal während der Periode des Taktsignals Clk mit einem Schalter SwDisCh entladen.
SwDisCh wird von den Signalen DisCh = 1 und/oder T1 = 0 eingeschaltet.
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DisCh wird von dem Entlade-Mono-Flop des Blocks Reset_FF & DisCh zur Verfügung gestellt. Die Signale T1, B2 werden von der ersten bzw. der zweiten Kippstufe erzeugt. Die Signale Boost, Buck und BuckBoost werden von den beiden Mitteln BD, BBD zum Bestimmen des Betriebsmodus erzeugt.
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Die erste Kippstufe Buck-FF und die vorgeschalteten zweiten Elemente erzeugt das Signal, welches am Ausgang T1 anliegt und welches den Halbbrücken-Schalter SwT1 steuert. Die erste Kippstufe wird mit dem Signal Clk2Del gesetzt und im Buck-Betrieb mit dem Signal Clk2 oder dem Signal Reset zurückgesetzt. Im Boost-Betrieb wird T1 nur dann durch das Signal Reset zurückgesetzt, wenn das Signal ClkDel = 1 und das Signal BuckBoost = 1 ist.
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Ein Setzen der ersten Kippstufe Buck-FF erfolgt, wenn Clk2Del = 1 ist und nicht gleichzeitig der Reset-Eingang der ersten Kippstufe Buck-FF gleich 0 ist.
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Ein Rücksetzen der ersten Kippstufe Buck-FF erfolgt, wenn BuckClk2 + Buck·Reset + Reset·Boost·BuckBoost·ClkDel = 1 ist. Das bedeutet: Am Ausgang T1 liegt 0 an,
- 1. wenn im Abwärtsbetrieb das Signal Clk2 = 1 wird oder
- 2. wenn im Abwärtsbetrieb ein Reset eintritt (Reset = 1) oder
- 3. wenn im zweiten Mischbetrieb ein Reset-Fall (Reset = 1) vorliegt und das Signal ClkDel = 1 wird oder ist.
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Im Abwärtsbetrieb ist damit eine Zeitsteuerung oder eine Steuerung der ersten Kippstufe Buck-FF durch das Signal Reset möglich. Im zweiten Mischbetrieb sind Resetsignal- und Zeitsteuerung vorgesehen.
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Die zweite Kippstufe Boost-FF erzeugt das Signal B2, welches den Schalter SwB2 steuert. Es wird im Boost-Betrieb mit dem Signal BoostClk1Del gesetzt. Es wird im ersten Mischbetrieb mit dem Signal BuckClk1Del gesetzt, wenn zuvor im selben Zyklus kein Reset gespeichert wurde, also RSTN = 1 ist.
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Das Setzen der zweiten Kippstufe Boost-FF erfolgt, wenn BoostClk1Del + BuckClk1Del·BuckBoost·RSTN = 1 ist. Zugleich muss das Reset-Signal = 0 sein, da ansonsten die zweite Kippstufe Boost-FF dauerhaft zurückgesetzt ist.
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Das bedeutet, das die zweite Kippstufe Boost-FF gesetzt wird, wenn
- 1. wenn Reset = 0 und
- 2. wenn
a. Boost = 1 ist und das Signal Clk1Del = 1 wird oder
b. wenn BuckBoost = 1 und Buck = 1 ist und wenn nach Clk2Del = 1 ein Reset erfolgt ist (RSTN = 1) und das Signal Clk1Del = 1 wird.
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Im Aufwärtsbetrieb erfolgt das Setzen der zweiten Kippstufe Boost-FF durch eine Zeitsteuerung unabhängig von irgendwelchen Ereignissen. Im zweiten Mischbetrieb erfolgt hingegen eine Resetsignal- und Zeitsteuerung.
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Die zweite Kippstufe Boost-FF wird mit Reset zurückgesetzt.
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In einem Abwärtsbetrieb arbeitet der Auf- und Abwärtswandler wie ein aus dem Stand der Technik bekannter Abwärtswandler.
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Das Signal Clk2Del liegt am Setz-Eingang der ersten Kippstufe Buck-FF an und liefert elektrische Impulse, welche die erste Kippstufe Buck-FF setzen. Dieses schaltet SWT1 ein. An L1 liegt jetzt die Spannungsdifferenz U(BN1) – U(BN2), die den Strom durch L1 steigen lässt. Der Drosselstrom-Emulator liefert das Signal Trapez an einen Eingang von PWM. Der andere Eingang von PWM ist mit dem Ausgang RegOut des mit Rbezeichneten Teils des PWM-Reglers verbunden.
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Der Ausgang PWMOut ist über die dritte Kippstufe Reset-FF mit dem Rücksetzeingang der ersten Kippstufe Buck-FF Buck-FF verbunden. Sobald das Signal PWMOut = 1 wird, wird die erste Kippstufe Buck-FF zurückgesetzt und der Schalter SWT1 abgeschaltet. Dies hat zur Folge, dass der kontinuierliche Strom durch das Speicherelement L1 über das erste Gleichrichtelement DB1 weiterfließt. Die Zeit, die der Schalter SWT1 eingeschaltet ist, kann man mit tein1 bezeichnen. Wegen der zuvor festgelegten Übertragungsrichtung der Energie ist V(BN2) die Ausgangsspannung und V(BN1) die Eingangsspannung. Diese beiden Spannungen stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander: V(BN2)/V(BN1) = tein1/TauClk = D1 D1 steht in der Literatur als das Verhältnis Einschaltzeit/Periodendauer (duty-cycle). Der Auf- und Abwärtswandler arbeitet im Abwärtsbetrieb nur für V(BN1) >> V(BN2), in Worten: die Spannung V(BN1) muss deutlich größer sein als die Spannung V(BN2). Wegen Schaltverlusten und Spannungsabfällen an parasitären Widerständen in der Schaltung ist selbst bei D1 = 1 die Ausgangsspannung kleiner als die Eingangsspannung.
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Insbesondere wenn man beispielsweise mehrere Abwärtswandler phasenverschoben parallel betreiben möchte, muss 0 < D < 1 sein, weil sonst kein Schalten mehr stattfindet und die Phasenbeziehung zwischen den parallelen Wandlern verloren geht. Wenn die Einschaltzeit tein1 oder die Ausschaltzeit taus1 = TauClk – tein1 sehr kurz sind und z.B. in der Nähe der Schaltzeiten des Schaltelements SWT1 liegen, funktioniert der Wandler nicht mehr richtig.
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In einem Aufwärtsbetrieb arbeitet der Auf- und Abwärtswandler wie ein aus dem Stand der Technik bekannter Aufwärtswandler. Nur für V(BN1) >> V(BN2) arbeitet der Wandler im Abwärtsbetrieb. Der Schalter SWB2 ist in dieser Betriebsart offen und SWT1 wird periodisch geschaltet.
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Das Signal BoostClk1Del liegt am Setz-Eingang der zweiten Kippstufe Boost-FF an und setzt die zweite Kippstufe Boost-FF. Dieses schaltet den Schalter SWB2 des Wandlers ein. An dem Speicherelment L1 liegt jetzt die Spannung V(BN1), die den Strom durch L1 steigen lässt. Der Drosselstrom-Emulator liefert das Signal Trapez an einen Eingang von PWM. Der andere Eingang von PWM ist nach wie vor mit dem Ausgang RegOut des mit R bezeichneten Teils des PWM-Reglers verbunden.
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Der Ausgang PWMOut ist über die dritte Kippstufe Reset-FF mit dem Rücksetzeingang der zweiten Kippstufe Buck-FF verbunden. Sobald das Signal PWMOut = 1 wird, wird die zweite Kippstufe zurückgesetzt und der Schalter SWB2 abgeschaltet. Dies hat zur Folge, dass der kontinuierliche Strom durch das Speicherelement L1 über das zweite Gleichrichtelement DT2 weiterfließt. Die Zeit, die der Schalter SWB2 eingeschaltet ist, kann man mit tein2 bezeichnen. Wegen der zuvor festgelegten Übertragungsrichtung der Energie ist die Spannung V(BN2) im Netz BN2 die Ausgangsspannung und die Spannung V(BN1) im ersten Netz die Eingangsspannung. Diese beiden Spannungen stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander: V(BN2)/V(BN1) = 1/(1 – D2), mit D2 = tein2/TauClk, 0 < D2 < 1 D2 steht für das Verhältnis der Einschaltzeit zur Periodendauer (duty-cycle). Der Aufwärtswandler ist nur für V(BN1) < V(BN2) geeignet, da bei D2 = 1 eine Polstelle des Terms V(BN2)/V(BN1) liegt. Bei D2 = 1 ist der Schalter SWB2 dauerhaft eingeschaltet und das Netz BN1 kurzgeschlossen.
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Wenn man beispielsweise mehrere Aufwärtswandler phasenverschoben parallel betreiben möchte, muss D2 > 0 sein, weil sonst kein Schalten mehr stattfindet und die Phasenbeziehung zwischen den parallelen Wandlern verloren geht. Wenn die Einschaltzeit tein2 oder die Ausschaltzeit taus2 = TauClk – tein2 sehr kurz ist und z.B. in der Nähe der Schaltzeiten des Schaltelements SWT2 liegt, funktioniert der Wandler nicht mehr richtig.
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Für V(BN1) ≈ V(BN2) ist ein Aufwärtsbetrieb des Auf- und Abwärtswandler nicht möglich. Nur für v(BN1) < V(BN2) arbeitet der Wandler als Aufwärtswandler. Der Schalter SWT1 ist in dieser Betriebsart geschlossen und SWB2 wird periodisch geschaltet.
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Durch die Erfindung ist der Auf- und Abwärtswandler auch für V(BN1) ≈ V(BN2) geeignet, da zwei geeignete Mischbetriebsmodi gefunden wurden, in denen innerhalb einer Periode des Taktsignals eine Mischung von Auf- und Abwärtswandlung erfolgt.
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Der erste Mischbetrieb erfolgt, wenn das Signal BuckBoost = 1 und das Signal Buck = 1 ist.
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Im ersten Mischbetrieb wird der Schalter SWT1 eingeschaltet, wenn das Signal Clk2Del = 1 wird und gleichzeitig am Rücksetz-Eingang der ersten Kippstufe der Wert 0 anliegt. Der Schalter SWT1 wird ausgeschaltet, wenn das Signal Clk2 = 1 wird oder wenn Reset = 1 (d.h. wenn das Signal PWMOut = 1 ist). D.h. der Schalter SWT1 wird in jedem Fall durch eine Zeitsteuerung ausgeschaltet, wenn nicht zuvor das Reset-Signal auf 1 wechselt.
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Im ersten Mischbetrieb wird der Schalter SWB2 eingeschaltet, wenn das Signal Reset = 0 (d.h. wenn PWM-Out = 0) und gleichzeitig das Signal RSTN = 1 und das Signal Clk1Del = 1 ist. Dass heißt ohne Reset = 1, d.h. PWMOut = 1 nach Einschalten des Schalters SWT1 wird der Schalter SWT1 nicht vorzeitig ausgeschaltet und B2 nicht eingeschaltet. Damit im ersten Mischbetrieb der Schalter SWB2 geschlossen werden kann, muss der Schalter SWT1 durch das Signal Reset = 1 geöffnet worden sein.
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Der Schalter SWB2 wird ausgeschaltet, wenn das Signal Reset = 1 (d.h. wenn PWMOut = 1) ist. Das Ausschalten erfolgt nur durch eine Steuerung mittels des Reset-Signals.
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Im ersten Mischbetrieb wird in jedem Fall der Schalter SWT1 geschlossen, wenn dass Signal Reset = 0 ist. Der Schalter SWB2 wird dagegen nur geschlossen, wenn der Schalter SWT1 zuvor wegen des Signals PWMOut = 1 geöffnet wurde. Im ersten Mischbetrieb kann also zu einer Abwärtswandlung eine Aufwärtswandlung hinzukommen.
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Der zweite Mischbetrieb erfolgt, wenn das Signal BuckBoost = 1 und das Signal Boost = 1 ist.
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Im zweiten Mischbetrieb wird der Schalter SWT1 eingeschaltet, wenn das Signal Clk2Del = 1 wird und gleichzeitig am Rücksetz Eingang der ersten Kippstufe Buck-FF gleich 0 ist. Im zweiten Mischbetrieb wird der Schalter SWT1 ausgeschaltet, wenn das Signal Reset = 1 ist (d.h. wenn PWM-Out = 1 ist) und das Signal ClkDel = 1 ist.
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Im zweiten Mischbetrieb wird der Schalter SWB2 eingeschaltet
- 1. wenn das Signal Reset = 0 (d.h. wenn PWM-Out = 0 ist) und
- 2. wenn das Signal Clk1Del = 1 wird
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Der Schalter SWB2 wird ausgeschaltet, wenn das Signal Reset = 1 (d.h. wenn PWM-Out = 1) ist.
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Auch im zweiten Mischbetrieb wird in jedem Fall der Schalter SWT1 geschlossen, wenn dass Signal Reset = 0 ist. Auch der Schalter SWB2 wird in jedem Fall geschlossen, wenn dass Signal Reset = 0 ist. Im ersten Mischbetrieb kommt also zu einer Abwärtswandlung in der Regel eine Aufwärtswandlung hinzu.
