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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Gleichspannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein System aus einer solchen Steuervorrichtung und einem Gleichspannungswandler und ein Verfahren zur Steuerung eines Gleichspannungswandlers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
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Gleichspannungswandler werden unter anderem dafür genutzt, eine Eingangsspannung an einer Eingangsseite in eine Ausgangsspannung an einer Ausgangsseite zu wandeln. Dabei wird elektrische Energie von der Eingangsseite zur Ausgangsseite übertragen. An der Ausgangsseite wird eine Ausgangsleistung ausgegeben, die sich aus der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom ergibt. Die Ausgangsspannung ergibt sich zumeist durch an den Gleichspannungswandler angeschlossene elektrische Geräte
- – wie zum Beispiel elektrische Verbraucher. Die Ausgangsleistung kann durch Regelung des Ausgangsstroms geregelt werden.
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Wie alle elektrischen Geräte erhöht sich die Temperatur eines Gleichspannungswandlers während des Betriebs durch eine in Wärme umgesetzte elektrische Verlustleistung. Je höher dabei die Ausgangsleistung ist, desto schneller erhöht sich die Temperatur und desto höher wird die Temperatur. Auch andere Parameter beeinflussen die Temperatur des Gleichspannungswandlers, wie zum Beispiel die Außentemperatur und die Wärmeabfuhr des Gleichspannungswandlers. Um eine Überhitzung des Gleichspannungswandlers zu vermeiden, wird ein sogenanntes Derating vorgesehen. Dies bedeutet, dass die Ausgangsleistung des Gleichspannungswandlers verringert wird, wenn die Temperatur des Gleichspannungswandlers eine bestimmte Temperaturschwelle überschreitet. Bei Unterschreitung dieser Temperaturschwelle wird die Ausgangsleistung wieder erhöht.
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Die Temperaturschwelle muss dabei unterhalb einer kritischen Temperatur liegen, bei der eine Beschädigung oder Zerstörung des Gleichspannungswandlers zu befürchten ist, um eben diese zu vermeiden. Die Temperaturschwelle soll dabei aber auch möglichst hoch liegen, um möglichst lange eine möglichst hohe Ausgangsleistung erreichen zu können, sodass der Gleichspannungswandler im Nennbetrieb betrieben werden kann. Daher wird bei Über- oder Unterschreiten der Temperaturschwelle die Ausgangsleistung relativ schnell angepasst. Die Ausgangsleistung kann jedoch nicht mit beliebiger Geschwindigkeit gesteuert werden. Die Totzeiten und Toleranzen des Gleichspannungswandlers und der Steuervorrichtung beschränken diese Geschwindigkeit. Daher muss die Temperaturschwelle, ab der eine Verringerung der Ausgangsleistung erfolgen soll, um einen Toleranzwert, der dies berücksichtigt, niedriger als die kritische Temperatur sein.
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Die relativ schnelle Steuerung der Ausgangsleistung kann zu elektrischen Schwingungen in dem an den Gleichspannungswandler angeschlossenen Stromkreis führen. Dies wird auch durch Totzeiten und Toleranzen der Steuervorrichtung, des Gleichspannungswandlers und der angeschlossenen elektrischen Geräte bedingt.
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Zudem folgt die Temperatur des Gleichspannungswandlers aufgrund seiner thermischen Trägheit einer Erhöhung bzw. Verringerung der Ausgangsleistung zeitverzögert. Wenn also die Ausgangsleistung verringert wird, weil die Temperaturschwelle überschritten wurde, dauert es eine gewisse Zeit, bis auch die Temperatur sinkt. Das gleiche gilt für die Erhöhung der Ausgangsleistung und die Erhöhung der Temperatur. So schwingt auch die Temperatur immer in einem relativ großen Bereich um die Temperaturschwelle und die Ausgangsleistung wird häufig erhöht und verringert.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der elektrische Schwingungen zumindest vermindert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Steuervorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Dadurch, dass die Erhöhung der Ausgangsleistung mit einer anderen Geschwindigkeit erfolgt als die Verringerung, werden Schwingungen unterdrückt. Wenn beispielsweise nach einer relativ schnellen Verringerung der Ausgangsleistung die Temperatur unter die Temperaturschwelle fällt, wird die Ausgangsleistung nur relativ langsam wieder erhöht. So werden elektrische Schwingungen durch rasch aufeinander folgende Erhöhungen und Verringerungen der Ausgangsleistung vermindert. Das gleiche trifft ebenfalls zu, wenn die Erhöhung der Ausgangsleistung schneller erfolgt als die Verringerung.
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Unter der Ausgangsleistung wird hier insbesondere die an der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers angeschlossenen Stromkreis ausgegebene Leistung verstanden. Dabei überträgt der Gleichspannungswandler eine Energie von der Eingangsseite zur Ausgangsseite. Die Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers ist also die Seite, zu der Energie von der Eingangsseite hin übertragen wird.
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Unter der Erhöhung der Ausgangsleistung wird hier insbesondere verstanden, dass die Ausgangsleistung von einem Istwert in einen Sollwert erhöht wird. Die Änderung erfolgt während einer Zeitspanne. Unter der Geschwindigkeit wird hier insbesondere die Differenz zwischen Sollwert und Istwert im Verhältnis zur Zeitspanne verstanden. Es ist möglich, dass die Änderung kontinuierlich oder in mehreren diskreten Schritten erfolgt. Während der Zeitspanne kann die Steuervorrichtung Steuersignale ausgeben, die die Ausgangsleistung des Gleichspannungswandlers steuern.
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Unter der Verringerung der Ausgangsleistung wird hier insbesondere verstanden, dass die Ausgangsleistung von einem Istwert in einen Sollwert verringert wird. Die Änderung erfolgt während einer Zeitspanne. Unter der Geschwindigkeit wird hier insbesondere die Differenz zwischen Istwert und Sollwert im Verhältnis zur Zeitspanne verstanden. Es ist möglich, dass die Änderung kontinuierlich oder in mehreren diskreten Schritten erfolgt. Während der Zeitspanne kann die Steuervorrichtung Steuersignale ausgeben, die die Ausgangsleistung des Gleichspannungswandlers steuern.
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Es kann sich beispielsweise der Sollwert der Steuervorrichtung von dem Sollwert des Gleichspannungswandlers unterscheiden. Unter dem Sollwert der Steuervorrichtung wird hier insbesondere der Wert für die Ausgangsleistung verstanden, die der Gleichspannungswandler nach der Erhöhung bzw. Verringerung der Ausgangsleistung ausgeben soll. Dieser Sollwert kann auch als Zielwert bezeichnet werden. Unter dem Sollwert des Gleichspannungswandlers wird der Wert für die Ausgangsleistung verstanden, der dem Gleichspannungswandler durch die Steuersignale der Steuervorrichtung übermittelt wurde. Somit wird durch eine Annäherung des Sollwerts des Gleichspannungswandlers an den Sollwert der Steuervorrichtung die Erhöhung bzw. die Verringerung der Ausgangsleistung durchgeführt.
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Eine Geschwindigkeit wird dann als niedriger oder geringer als eine andere Geschwindigkeit bezeichnet, wenn ihr Betrag niedriger als der Betrag der anderen Geschwindigkeit ist.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Erhöhung der Ausgangsleistung langsamer erfolgen als die Verringerung der Ausgangsleistung. Unter einer langsameren Erhöhung wird hier insbesondere verstanden, dass die Geschwindigkeit der Erhöhung niedriger ist als die Geschwindigkeit der Verringerung.
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Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Ausgangsleistung relativ spät verringert werden kann, um eine Beschädigung des Gleichspannungswandlers zu vermeiden. Aufgrund der relativ schnellen Verringerung lässt sich der Gleichspannungswandler relativ lange mit einer hohen Ausgangsleistung im Nennbetrieb betreiben. Trotzdem werden Schwingungen im angeschlossenen Stromkreis verringert, da die Erhöhung der Ausgangsleistung relativ langsam erfolgt. Aufgrund der relativ langsamen Erhöhung der Ausgangsleistung erfolgt der Temperaturanstieg mit einer verhältnismäßig geringen Zeitverzögerung, sodass die Schwankung der Temperatur um die Temperaturschwelle vermindert wird. Die Temperatur des Gleichspannungswandlers stellt sich auf einen Bereich leicht oberhalb und unterhalb der Temperaturschwelle ein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Erhöhung der Ausgangsleistung durch eine Unterschreitung einer Temperaturschwelle ausgelöst werden. Zur Bestimmung der Temperatur kann die Steuervorrichtung beispielsweise Temperatursignale eines Temperatursensors empfangen, die einen Hinweis auf die Temperatur des Gleichspannungswandlers umfassen. Es ist auch möglich, dass die Steuervorrichtung ein Signal von einem Temperatursensor empfängt, das einen Hinweis auf die Unterschreitung der Temperaturschwelle umfasst. Wenn die Temperatur aufgrund der geringeren Ausgangsleistung unter die Temperaturschwelle fällt, wird die Ausgangsleistung vergleichsweise langsam erhöht, sodass auch die Temperatur relativ langsam ansteigt. Die Temperatur des Gleichspannungswandlers ändert sich aufgrund seiner thermischen Trägheit bei einer Änderung der Ausgangsleistung zeitverzögert. Die relativ langsame Erhöhung der Ausgangsleistung ermöglicht, dass diese Zeitverzögerung verringert wird, sodass die Temperaturschwankungen verringert werden.
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Es ist möglich, dass es mehrere Temperaturschwellen gibt. So kann beispielsweise für das Überschreiten einer ersten relativ hohen Temperaturschwelle ein relativ niedriger erster Zielwert für die Ausgangsleistung bestimmt werden, während für das Überschreiten einer zweiten relativ niedrigen Temperaturschwelle ein zweiter Zielwert bestimmt wird, der höher ist als der erste Zielwert. Es kann auch ein Temperaturbereich festgelegt sein, dem ein Zielwertbereich zugeordnet ist. In diesem Temperaturbereich kann beispielsweise ein linearer Zusammenhang zwischen der Temperatur des Gleichspannungswandlers und dem Zielwert festgelegt sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Verringerung der Ausgangsleistung durch eine Überschreitung der Temperaturschwelle ausgelöst werden. In Kombination mit der relativ schnellen Verringerung der Ausgangsleistung kann die Temperaturschwelle so relativ nah an die kritische Temperatur des Gleichspannungswandlers gelegt werden, sodass der Gleichspannungswandler auch bei relativ hohen Temperaturen mit einer relativ hohen Ausgangsleistung betrieben werden kann. In Kombination mit einer relativ langsamen Erhöhung der Ausgangsleistung bei Unterschreiten der Temperaturschwelle werden somit elektrische Schwingungen vermieden, während eine relativ hohe Ausgangsleistung bei einer relativ hohen Temperatur des Gleichspannungswandlers ausgegeben werden kann.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Steuervorrichtung dazu ausgebildet sein, die Ausgangsleistung durch eine Erhöhung des Ausgangsstroms zu erhöhen. So kann die Ausgangsspannung konstant gehalten werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Steuervorrichtung dazu ausgebildet sein, die Ausgangsleistung durch eine Verringerung des Ausgangsstroms zu verringern. So kann die Ausgangsspannung konstant gehalten werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Steuervorrichtung für eine exponentielle Erhöhung und für eine exponentielle Verringerung der Ausgangsleistung ausgebildet sein. Eine solche exponentielle Erhöhung bzw. Verringerung kann beispielsweise durch ein PT1-Glied erreicht werden. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung zunächst einen Sollwert der Steuervorrichtung für die Ausgangsleistung berechnen, der von der Temperatur des Gleichspannungswandlers abhängt. Ein erstes Signal – beispielsweise eine Rampe vom Istwert zum Sollwert der Steuervorrichtung – kann dann als Eingangssignal für das PT1-Glied genutzt werden. Das Ausgangssignal des PT1-Glieds kann dann als Steuersignal für den Gleichspannungswandler genutzt werden. Das Ausgangssignal des PT1-Glied weist bei einem linearen Eingangssignal eine exponentielle Form auf. So kann eine exponentielle Verringerung und/oder eine exponentielle Erhöhung der Ausgangsleistung ohne großen Rechenaufwand erreicht werden.
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Wie schnell sich das Ausgangssignal des PT1-Glieds ändert, hängt im Wesentlichen von zwei Faktoren ab, nämlich dem Eingangssignal und der Zeitkonstanten des PT1-Glieds. Unterschiedliche Geschwindigkeiten bei der Erhöhung und der Verringerung der Ausgangsleistung können durch unterschiedliche Zeitkonstanten für die Erhöhung und die Verringerung erreicht werden. Beispielsweise kann die Zeitkonstante für die Erhöhung der Ausgangsleistung größer sein als die Zeitkonstante für die Verringerung der Ausgangsleistung. So wird erreicht, dass die exponentielle Erhöhung der Ausgangsleistung langsamer erfolgt als die exponentielle Verringerung.
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Die Zeitkonstante für die Verringerung der Ausgangsleistung kann beispielsweise in der Größenordnung der Totzeit des Gleichspannungswandlers inklusive Toleranzen liegen. Die Zeitkonstante für die Erhöhung der Ausgangsleistung kann beispielsweise um 2 bis 5, vorzugsweise 3 bis 4, Größenordnungen größer sein.
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Das PT1-Glied kann hierbei Bestandteil der Steuervorrichtung sein. Es ist aber auch möglich, dass das PT1-Glied zwischen der Steuervorrichtung und dem Gleichspannungswandler geschaltet ist.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Steuervorrichtung dazu ausgebildet sein, die Erhöhung und/oder die Verringerung der Ausgangsleistung kontinuierlich durchzuführen.
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Die Steuervorrichtung und das PT1-Glied können als elektronische Schaltungen ausgebildet sein. Die Steuervorrichtung und/oder das PT1-Glied können beispielsweise als integrierter Schaltkreis ausgebildet sein.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System aus einer Steuervorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung und einem Gleichspannungswandler.
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In noch einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Gleichspannungswandlers, bei dem die Erhöhung der Ausgangsleistung mit einer anderen Geschwindigkeit erfolgt als die Verringerung der Ausgangsleistung.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei werden für die gleichen oder ähnliche Bauteile und für Bauteile mit den gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigt:
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1 ein Flussdiagram der in einer Steuervorrichtung für einen Gleichspannungswandler nach einer Ausführungsform der Erfindung ablaufenden Schritte; und
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2 eine graphische Darstellung unterschiedlicher Zeitkonstanten für die Erhöhung und die Verringerung der Ausgangsleistung des Gleichspannungswandlers.
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In 1 wird zunächst ein Signal T_NTC eines Temperatursensors als Eingangsgröße genutzt. Der Temperatursensor kann beispielsweise ein NTC-Widerstand sein. Das Signal T_NTC steht zumindest mit der wirklichen Temperatur des Gleichspannungswandlers in Zusammenhang. Idealerweise umfasst das Signal T_NTC die Temperatur des Gleichspannungswandlers. Der Temperatursensor kann beispielsweise innerhalb des Gleichspannungswandlers angeordnet sein.
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Das Signal T_NTC wird durch einen Tiefpassfilter 100 gefiltert, um Messfehler und ungewünschte Signalspitzen auszufiltern. Sprünge des Signals T_NTC können ohne Weiteres als Messfehler angesehen werden, da nicht zu erwarten ist, dass die Temperatur des Gleichspannungswandlers sich sprunghaft ändert. Die Zeitkonstante des Tiefpassfilters kann beispielsweise 100ms betragen.
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Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters T_100ms_T_NTC wird in der Steuervorrichtung weiterverarbeitet. Jedem Temperaturwert T_NTC ist ein Sollwert der Ausgangsleistung zugeordnet. Die Ausgangsleistung kann beispielsweise durch die Anpassung des maximal zulässigen Ausgangsstroms realisiert werden. Der Sollwert für den Ausgangsstrom I_Out(T_NTC) hängt somit von der Temperatur des Gleichspannungswandlers ab. Dieser Sollwert kann auch als Sollwert der Steuervorrichtung oder Zielwert bezeichnet werden. Der Zielwert I_Out(T_NTC) wird als Eingangssignal für das PT1-Glied 102 genutzt.
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Das PT1-Glied 102 weist unterschiedliche Zeitkonstanten auf. Wenn der Zielwert größer ist als der Istwert der Ausgangsleistung, ist die Zeitkonstante des PT1-Glieds 102 relativ groß. Wenn der Zielwert geringer ist als der Istwert der Ausgangsleistung, ist die Zeitkonstante des PT1-Glieds 102 relativ klein. Für eine Erhöhung der Ausgangsleistung ist also die Zeitkonstante größer als für eine Verringerung. Die Zeitkonstante für die Verringerung der Ausgangsleistung kann beispielsweise in der Größenordnung der Totzeit des Gleichspannungswandlers und etwaiger Toleranzen liegen. Das PT1-Glied kann daher auch als PT1-Glied mit asymmetrischen Zeitkonstanten bezeichnet werden.
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Das Ausgangssignal I_Out_PT1_Asym(T_NTC) des PT1-Glieds 102 wird als Steuerungssignal für den Gleichspannungswandler genutzt. Dieses Ausgangssignal kann auch als Sollwert des Gleichspannungswandlers bezeichnet werden. Dieser Sollwert kann sich von dem Zielwert unterscheiden. Bei einer Erhöhung oder Verringerung der Ausgangsleistung wird der Sollwert dem Zielwert angenähert. Wenn der Sollwert den Zielwert erreicht hat, ist die Erhöhung oder Verringerung abgeschlossen.
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Der Verlauf des Sollwerts des Gleichspannungswandlers, also des Ausgangssignals des PT1-Glieds 102, ist in 2 graphisch beispielhaft dargestellt. Dabei ist in x-Richtung die Zeit, beispielsweise in Sekunden, und in y-Richtung der Ausgangsstrom, beispielsweise in Prozent, aufgetragen. Die gestrichelt dargestellte Kurve entspricht dem Verlauf des Ausgangssignals des PT1-Glieds 102 bei einer Erhöhung der Ausgangsleistung des Gleichspannungswandlers, während die als durchgezogene Linie dargestellte Kurve dem Verlauf des Ausgangssignals des PT1-Glieds 102 bei einer Verringerung der Ausgangsleistung des Gleichspannungswandlers entspricht. Es ist klar ersichtlich, dass die Verringerung der Ausgangsleistung erheblich schneller erfolgt als die Erhöhung der Ausgangsleistung.
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So kann eine Temperaturschwelle eingestellt werden, die relativ nah an der kritischen Temperatur des Gleichspannungswandlers liegt, ab der eine Beschädigung des Gleichspannungswandlers zu befürchten ist. Dabei werden elektrische Schwingungen und Schwingungen der Temperatur um diese Temperaturschwelle durch die relativ langsame Erhöhung der Ausgangsleistung vermindert. Die Temperatur des Gleichspannungswandlers schwankt nur noch in einem sehr engen Bereich unterhalb und leicht oberhalb der Temperaturschwelle.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Tiefpassfilter
- 102
- PT1-Glied
