DE102012217898B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers (1), dessen Eingangsspannung (VI) höher oder niedriger als eine vorgegebene Ausgangsspannung (VO) sein kann und der zumindest ein Schaltelement (Sw) und drei Energiespeicher (L1, L2, C1) umfasst, bei dem zum Vermeiden von zerstörerischen Strömen in dem Gleichspannungswandler (1) eine Begrenzung der maximalen Einschaltzeit des Schaltelements (Sw) erfolgt, indem ein maximal erlaubtes Tastverhältnis (MDC) eingestellt und für jeden Tastzyklus das aktuelle Tastverhältnis (K1, K2) einer Regelschleife des Gleichspannungswandlers (1) überwacht wird, wobei das Schaltelement (Sw) ausgeschaltet wird, wenn das aktuelle Tastverhältnis (K1, K2) das maximal erlaubte Tastverhältnis (MDC) erreicht und bei dem ein erster Timer gestartet wird, wenn das aktuelle Tastverhältnis (K1, K2) das maximal erlaubte Tastverhältnis (MDC) erreicht, wobei nach Ablauf einer ersten vorgegebenen Zeit des ersten Timers der Gleichspannungswandler (1) ausgeschaltet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers, dessen Eingangsspannung höher oder niedriger als eine vorgegebene Ausgangsspannung sein kann und der zumindest ein Schaltelement und drei Energiespeicher umfasst.
  • Einen Gleichspannungswandler, dessen Eingangsspannung höher oder niedriger als eine vorgegebene Ausgangsspannung sein kann, stellt beispielsweise der bekannte SEPIC-Wandler (Single Ended Primary Inductance Converter) dar. Als wesentliche Elemente eines solchen Wandlers agieren drei Energiespeicher und ein Schaltelement. Die Energiespeicher sind zwei Spulen und ein Kondensator. Das Schaltungsschema des SEPIC-Wandlers und dessen Funktionsweise kann beispielsweise der Online-Enzyklopädie unter http://de.wikipedia.org/wiki/SEPIC (Stand: 9. März 2011) entnommen werden. Auch die US 2003/0066555A1 offenbart eine solche SEPIC-Wandler-Schaltungstopologie. Bei derartigen Gleichspannungswandlern besteht das Problem, dass dessen Komponenten vor zu hohen Strömen geschützt werden müssen. Zu hohe Ströme können beispielsweise aus einer ungünstigen Eingangsspannung, Transienten der Eingangsspannung, des Ausgangsstroms oder Temperatureinflüssen resultieren.
  • Gegenwärtig wird zum Schutz des Gleichspannungswandlers vor zerstörerischen Strömen ein Shunt-Widerstand eingesetzt, der seriell mit dem Schaltelement verschaltet ist. Bei eingeschaltetem Schaltelement fließt ein Strom über den Shunt-Widerstand, so dass aus der über ihm abfallenden Spannung auf den durch den Gleichspannungswandler fließenden Strom geschlossen werden kann. Überschreitet der Strom eine vorgegebene Schwelle, so wird das Schaltelement, unabhängig von anderen vorhandenen Regelschleifen, zur Einstellung der Ausgangsspannung abgeschaltet. Obwohl der beschriebene Schutzmechanismus sehr effizient ist, ist die Verwendung eines Shunt-Widerstandes mit hohen Kosten verbunden.
  • Die EP 1 524 567 A2 offenbart einen Gleichspannungswandler, der zur Vermeidung einer Überlastung ein einstellbares maximales Tastverhältnis vorschlägt, wobei ein angepasster Tastverhältnisbegrenzer vorgesehen ist. Dieser angepasste Tastverhältnisbegrenzer soll z. B. den Eingangsstrom überwachen und ein digitales Signal erzeugen, um das Tastverhältnis zu begrenzen, so dass die Amplitude des Eingangsstromes einen Schwellwert nicht überschreitet. Hier soll also das Tastverhältnis aufgrund eines zu messenden Stromes begrenzt werden, wozu eine Strommesseinrichtung beispielsweise in Form eines Shunt-Widerstandes erforderlich ist.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers anzugeben, welches einen sicheren Schutz des Gleichspannungswandlers auf einfachere und kostengünstigere Weise zu ermöglichen.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Die Erfindung schlägt ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers vor, dessen Eingangsspannung höher oder niedriger als eine vorgegebene Ausgangsspannung sein kann. Der Gleichspannungswandler umfasst zumindest ein Schaltelement und drei Energiespeicher. Zum Vermeiden von zerstörerischen Strömen in dem Gleichspannungswandler erfolgt eine Begrenzung der maximalen Einschaltzeit des Schaltelements, indem ein maximal erlaubtes Tastverhältnis eingestellt und für jeden Tastzyklus das aktuelle Tastverhältnis einer Regelschleife des Gleichspannungswandlers überwacht wird. Das Schaltelement wird ausgeschaltet, wenn das aktuelle Tastverhältnis das maximal erlaubte Tastverhältnis erreicht. Es wird zusätzlich zur Begrenzung des Tastverhältnisses ein erster Timer gestartet, wenn das aktuelle Tastverhältnis das maximal erlaubte Tastverhältnis erreicht, wobei nach Ablauf einer ersten vorgegebenen Zeit des Timers der Gleichspannungswandler ausgeschaltet wird.
  • Das vorgeschlagene Vorgehen ermöglicht den Verzicht auf den eingangs erwähnten Shunt-Widerstand. Die Funktionalität des Schutzes des Gleichspannungswandlers wird erfindungsgemäß von einem analogen Schaltungsteil, der den Shunt-Widerstand und zumindest einen Komparator umfasst, auf kostengünstiger realisierbare Digitalkomponenten übertragen. Darüber hinaus weist das Vorgehen den Vorteil auf, dass die Schutzüberwachung des Gleichspannungswandlers mit geringerem Platzbedarf möglich ist.
  • Durch die Erfindung werden die Komponenten des Gleichspannungswandlers vor Beschädigung zu schützen, wenn der durch das maximale Tastverhältnis festgelegte Strom für eine zu lange Zeit durch den Gleichspannungswandler fließen würde. Aufgrund der dann entstehenden Abwärme wäre eine Beschädigung möglich, welche durch den Timer beschränkt werden kann.
  • Das maximal erlaubte Tastverhältnis kann gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung zur Laufzeit eingestellt werden. Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität, da z. B. in Abhängigkeit äußerer Umstände durch die Einstellung des maximal erlaubten Tastverhältnisses auch der maximal erlaubte Strom in dem Gleichspannungswandler angepasst werden kann.
  • In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn das maximal erlaubte Tastverhältnis für jeden Tastzyklus oder jeden x-ten Tastzyklus neu vorgegeben wird, wobei x ≥ 2 ist. Neben einer Flexibilität der Anpassung des maximal erlaubten Tastverhältnisses kann durch die Vorgabe des maximal erlaubtes Tastverhältnisses für jeden oder jeden x-ten Tastzyklus eine Abweichung vom Vorgabewert verhindert werden. Beispielsweise könnte die Abweichung von dem vorgegebenen maximalen Tastverhältnis durch ein fehlerhaftes Verhalten des Gleichspannungswandlers oder übergeordnete Steuerkomponenten oder durch eine absichtliche Veränderung hervorgerufen sein.
  • Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn das maximal erlaubte Tastverhältnis in Abhängigkeit einer Schaltfrequenz, mit der der Gleichspannungswandler betrieben wird, eingestellt wird. Dies ermöglicht einen diskontinuierlichen Betrieb des Gleichspannungswandlers. Da sich mit der Schaltfrequenz auch die in dem Gleichspannungswandler fließenden Ströme ändern, werden für jeden der Frequenzbereiche ein maximal erlaubtes Tastverhältnis und damit ein maximal erlaubter Strom festgelegt.
  • Vorzugsweise erfolgt die Abschaltung des Gleichspannungswandlers für eine zweite vorgegebene Zeit. Diese zweite vorgegebene Zeit erlaubt die Abkühlung der Komponenten des Gleichspannungswandlers. Es ist zweckmäßig, wenn die Zeitspanne vom Eintreten des maximal erlaubten Tastverhältnisses bis zu der ersten vorgegebenen Zeit kleiner ist, als die durch die zweite vorgegebene Zeit definierte Zeitspanne.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird ein zweiter Timer gestartet, wenn während eines Spannungseinbruchs einer den Gleichspannungswandler mit Spannung versorgenden Batterie die Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers einen vorgegebenen, unteren Spannungswert erreicht, wobei nach Ablauf einer dritten vorgegebenen Zeit des zweiten Timers der Gleichspannungswandler ausgeschaltet wird. Eine derartige Situation kann beispielsweise beim Einsatz des Gleichspannungswandlers in einem Kraftfahrzeug während des Startvorganges auftreten. Durch die Betätigung des Starters bricht die Batteriespannung des Energieversorgungsnetzes zusammen, was sich in der kurzeitig verringerten Spannung am Eingang des Gleichspannungswandlers bemerkbar macht. Durch das Absinken der Spannung am Eingang des Gleichspannungswandlers steigt automatisch das Tastverhältnis an, wodurch das vorgegebene maximale Tastverhältnis überschritten werden kann. Ist dies der Fall, wird der zweite Timer gestartet. Da der hierdurch verursachte Spannungseinbruch typischerweise nur sehr kurz ist, wird die dritte vorgegebene Zeit in der Regel nicht erreicht. Ist dies doch einmal der Fall, so wird der Gleichspannungswandler ausgeschaltet, um eine zu starke Erwärmung der Komponenten des Gleichspannungswandlers zu verhindern.
  • Der zweite Timer wird zurückgesetzt, wenn nach dem Start des zweiten Timers die Eingangsspannung den vorgegebenen Spannungswert überschritten hat. Hierdurch kann durch den Wiederanstieg der Spannung über den vorgegebenen Spannungswert hinaus das Auslösen des zweiten Timers unterbunden werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Schaltungsschema eines SEPIC-Wandlers, und
  • 2 beispielhafte Verläufe des aktuellen Tastverhältnisses in Abhängigkeit der Eingangsspannung des in 1 dargestellten SEPIC-Wandlers.
  • 1 zeigt einen aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannten SEPIC-Wandler 1, wie dieser im Umfeld von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Dieser ist ein Gleichspannungswandler, welcher eine positive Eingangsspannung VI in eine Ausgangsspannung VO wandelt, wobei die Eingangsspannung VI sowohl größer als auch kleiner als die Ausgangsspannung VO sein kann. Der Gleichspannungswandler 1 umfasst als wesentliche Elemente der Schaltung eine Spule L1, eine zweite Spule L2, einen Kondensator C1 und ein Schaltelement S. Darüber hinaus umfasst der Gleichspannungswandler 1 eine Diode D und einen weiteren Kondensator C2. Die genaue Funktionsweise des Gleichspannungswandlers kann der Online-Enzyklopädie Wikipedia unter http://de.wikipedia.org/wiki/SEPIC (Stand: 9. März 2011) entnommen werden. Im Übrigen ist die Funktionsweise eines SEPIC-Wandlers dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet wird.
  • Um die in 1 dargestellten Komponenten des Gleichspannungswandlers 1 vor zu hohen Strömen und daraus resultierenden Schädigungen zu schützen, erfolgt eine Begrenzung der maximalen Einschaltzeit des Schaltelements Sw, indem ein maximal erlaubtes Tastverhältnis in Abhängigkeit einer Schaltfrequenz, mit der der Gleichspannungswandler betrieben wird, eingestellt wird. Dabei wird für jeden Tastzyklus das aktuelle Tastverhältnis einer in 1 nicht näher dargestellten Regelschleife des Gleichspannungswandlers überwacht. Wenn das aktuelle Tastverhältnis das maximal erlaubte Tastverhältnis erreicht, wird das Schaltelement zum Schutz der Komponenten des Gleichspannungswandlers ausgeschaltet.
  • Diesem Vorgehen liegt die Überlegung zu Grunde, dass die Spule L1 eine Ladekurve aufweist, gemäß der nach einer bestimmten Zeit bestimmte kritische Ströme erreicht werden. In Abhängigkeit der Dimensionierung der ersten Spule L1 erfolgt dann nach einer vordefinierten Zeit, welche vor dem Erreichen der kritischen Ströme liegt, ein Abschalten des Schaltelements Sw. Hierdurch können die Ströme in der ersten Spule L1 nicht weiter ansteigen, wodurch nur zugelassene Stromstärken in dem Gleichspannungswandler auftreten werden.
  • 2 verdeutlicht dieses Vorgehen anhand eines Diagramms. Dieses zeigt das Tastverhältnis DC (englisch: Duty Cycle) über der Eingangsspannung VI des Gleichspanungswandlers. Die Tastfrequenz ergibt sich in einer dem Fachmann bekannten Weise zu DC = ton/(ton + toff). Der Gleichspannungswandler soll im sog. diskontinuierlichen Betrieb betrieben werden, wozu es erforderlich ist, den Gleichspannungswandler 1 in jedem Zyklus mit zwei unterschiedlichen Schaltfrequenzen Fsw_LV und Fsw_HV zu betreiben. Die Umschaltung erfolgt in Abhängigkeit einer am Eingang des Gleichspannungswandlers 1 anliegenden Eingangsspannung VI. In 2 ist der Bereich der ersten Schaltfrequenz Fsw_LV über eine in etwa bei VI = 6 V, senkrecht von unten nach oben verlaufende Linie von dem Bereich der zweiten Schaltfrequenz Fsw_HV abgegrenzt. Die erste Schaltfrequenz Fsw_LV kann beispielsweise 196 kHz, die zweite Schaltfrequenz Fsw_HV 490 kHz betragen.
  • Mit MDC sind zwei waagrecht verlaufende, maximal erlaubte Tastverhältnisse für die beiden Schaltfrequenzen dargestellt. Das maximal erlaubte Tastverhältnis MDC für den Bereich der ersten Schaltfrequenz Fsw_LV beträgt ca. 75%, das maximal erlaubte Tastverhältnis MDC für den Bereich der zweiten Schaltfrequenz Fsw_HV ca. 50%. Die genannten Werte sind hediglich Beispiele und können in der Praxis abweichend von der Dimensionierung der Bauelemente des Gleichspannungswandlers auch abweichend gewählt sein. Insbesondere ist vorgesehen, das maximal erlaubte Tastverhältnis MDC für jeden Bereich der ersten und zweiten Schaltfrequenz zur Laufzeit einzustellen. Dabei kann das maximal erlaubte Tastverhältnis MDC mit jedem Zyklus neu vorgegeben werden. Ebenso kann dieses z. B. in einem 10 ms Raster vorgegeben werden.
  • Weiterhin sind beispielhaft zwei Verläufe aktueller Tastverhältnisse K1, K2 dargestellt. Der Verlauf K1 repräsentiert hierbei ein aktuelles Tastverhältnis, bei dem die Regelschleife eine Regelung zur Herbeiführung eines maximalen Ausgangsstroms vornimmt. Der Verlauf K2 des aktuellen Tastverhältnisses entspricht einer Regelung, bei der der Strom in den Spulen L1 und L2 in etwa dem Sättigungsstrom entspricht. In dieser Situation besteht hierbei die Gefahr, dass die Komponenten des Gleichspannungswandlers 1 beschädigt werden, da das aktuelle Tastverhältnis der Kurve K2 bei bestimmten Eingangsspannungen VI das maximal erlaubte Tastverhältnis MDC erreicht und übersteigt.
  • Wie 2 ohne weiteres zu entnehmen ist, ergeben sich, bedingt durch die unterschiedlichen Schaltfrequenzen in den Bereichen Fsw_LV und Fsw_HV unterschiedliche Stromverläufe.
  • Wie eingangs bereits erwähnt, wird das aktuelle Tastverhältnis für jeden Tastzyklus überwacht und dann, wenn das Tastverhältnis das maximal erlaubte Tastverhältnis MDC erreicht, das Schaltelement Sw ausgeschaltet.
  • Wie 2 ohne weiteres entnehmbar ist, hängt das aktuelle Tastverhältnis von der Höhe der Eingangsspannung ab. Aufgrund von transienten Spannungsänderungen, wie diese beispielsweise bei der Verwendung des Gleichspannungswandlers 1 in einem Fahrzeug auftreten, kann es daher vorkommen, dass das aktuelle Tastverhältnis das maximal erlaubte Tastverhältnis MDC erreicht. Da dann der hieraus resultierende Strom verhältnismäßig hoch ist, würde ein fortdauernder Betrieb in diesem Spannungsbereich zu einer Überhitzung der Komponenten des Gleichspannungswandlers 1 führen.
  • Aus diesem Grund wird ein erster Timer gestartet, wenn das aktuelle Tastverhältnis (K2 bei etwa 15,5 V) das für den jeweiligen Schaltfrequenzbereich zugeordnete maximal erlaubte Tastverhältnis erreicht. Das aktuelle Tastverhältnis wird dabei vorzugsweise auf dem Wert des maximal erlaubten Tastverhältnisses gehalten. Hält die Situation für eine vorgegebene Zeitdauer an, erfolgt die Abschaltung des Gleichspannungswandlers für eine zweite vorgegebene Zeitdauer, wobei diese vorzugsweise länger ist als die Zeitdauer bis zum Erreichen des Abschaltens des Gleichspannungswandlers, um ein Abkühlen der Bauelement zu ermöglichen.
  • Während eines Startvorganges in einem Fahrzeug bricht die Spannung des Bordnetzes und damit die Eingangsspannung VI des Gleichspannungswandlers üblicherweise ein. Dabei kann auch die Situation auftreten, dass die Eingangsspannung VI des Gleichspannungswandlers für eine längere Zeitdauer einbricht. Diese Situation ist nicht typisch und legt einen Fehler nahe. In dieser Situation kann das Tastverhältnis stark ansteigen, obwohl das maximal erlaubte Tastverhältnis noch nicht erreicht ist. Ein fortdauernder Betrieb in dieser Situation führt jedoch zu einer starken Erhitzung der Komponenten des Gleichspannungswandlers 1.
  • Aus diesem Grund wird ein weiterer, zweiter Timer gestartet, wenn die Eingangsspannung unterhalb einen vorgegebenen Spannungswert der Eingangsspannung VI sinkt. Im Umfeld von Kraftfahrzeugen können dies beispielsweise 6 V sein. Mit dem Unterschreiten der vorgegebenen Spannung wird der Timer gestartet und bei Erreichen eines vorgegebenen Zeitkriteriums der Gleichspannungswandler ausgeschaltet. Hierdurch können die Komponenten des Gleichspannungswandlers wieder abkühlen, ohne Schaden zu nehmen. Bei der Bestimmung des Ablaufs des weiteren zweiten Timers ist dabei zu berücksichtigen, dass Spannungen unterhalb des vorgegebenen Spannungswertes für eine zulässige Zeitdauer zulässig sind. Die Zeitdauer des weiteren zweiten Timers muss daher größer als diese Zeitdauer sein.
  • Der Schutz des Gleichspannungswandlers erfolgt nunmehr nicht mehr über analoge Komponenten, wie den bislang verwendeten Shunt-Widerstand und einen analogen Komparator, sondern die Schutzfunktion kann digital realisiert werden. Dies spart nicht nur externe Komponenten, sondern ermöglicht auch eine kostengünstigere Realisierung.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers (1), dessen Eingangsspannung (VI) höher oder niedriger als eine vorgegebene Ausgangsspannung (VO) sein kann und der zumindest ein Schaltelement (Sw) und drei Energiespeicher (L1, L2, C1) umfasst, bei dem zum Vermeiden von zerstörerischen Strömen in dem Gleichspannungswandler (1) eine Begrenzung der maximalen Einschaltzeit des Schaltelements (Sw) erfolgt, indem ein maximal erlaubtes Tastverhältnis (MDC) eingestellt und für jeden Tastzyklus das aktuelle Tastverhältnis (K1, K2) einer Regelschleife des Gleichspannungswandlers (1) überwacht wird, wobei das Schaltelement (Sw) ausgeschaltet wird, wenn das aktuelle Tastverhältnis (K1, K2) das maximal erlaubte Tastverhältnis (MDC) erreicht und bei dem ein erster Timer gestartet wird, wenn das aktuelle Tastverhältnis (K1, K2) das maximal erlaubte Tastverhältnis (MDC) erreicht, wobei nach Ablauf einer ersten vorgegebenen Zeit des ersten Timers der Gleichspannungswandler (1) ausgeschaltet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das maximal erlaubte Tastverhältnis (MDC) zur Laufzeit eingestellt wird oder werden kann.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das maximal erlaubte Tastverhältnis (MDC) für jeden Tastzyklus oder jeden x-ten Tastzyklus neu vorgegeben wird, wobei x ≥ 2 ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das maximal erlaubte Tastverhältnis (MDC) in Abhängigkeit einer Schaltfrequenz, mit der der Gleichspannungswandler (1) betrieben wird, eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das maximal erlaubte Tastverhältnis (MDC) in Abhängigkeit der Dimensionierung eines oder mehrerer der Energiespeicher des Gleichspannungswandlers (1) eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abschaltung des Gleichspannungswandlers (1) für eine zweite vorgegebene Zeit erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein zweiter Timer gestartet wird, wenn während eines Spannungseinbruchs einer den Gleichspannungswandler (1) mit Spannung versorgenden Batterie die Eingangsspannung (VI) des Gleichspannungswandlers (1) einen vorgegebenen, unteren Spannungswert erreicht, wobei nach Ablauf einer dritten vorgegebenen Zeit des zweiten Timers der Gleichspannungswandler (1) ausgeschaltet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der zweite Timer zurückgesetzt wird, wenn nach dem Start des zweiten Timers die Eingangsspannung (VI) den vorgegebenen, unteren Spannungswert wieder überschritten hat.
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SEPIC. In: Wikipedia, Die freie Enzyklpädie. Version: 9. März 2011. URL: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=SEPIC&oldid=86254078 [abgerufen am 19.09.2013] *

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