DE102013107472A1

DE102013107472A1 - Steuerung für einen Leistungswandler und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102013107472A1
Application number: DE102013107472.3A
Authority: DE
Inventors: Sriram Chandrasekaran
Original assignee: Power Systems Technologies Ltd
Current assignee: Power Systems Technologies Ltd
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2014-06-18
Also published as: US20140169049A1; CN103872895A; US9240712B2

Abstract

Offenbart sind eine Steuerung für einen Leistungswandler und ein Verfahren zu seinem Betrieb. In einer Ausführungsform enthält die Steuerung eine Strommessvorrichtung, die in Reihe mit geschalteten Anschlüssen von Leistungsschaltern von verschachtelten Schaltreglern koppelbar ist und eingerichtet ist, ein Strommesssignal zu erzeugen. Die Steuerung enthält auch einen Fehlerverstärker, eingerichtet, ein Fehlersignal als eine Funktion einer Kenngröße des Leistungswandlers zu erzeugen. Die Steuerung enthält auch eine Tastgradsteuerung, eingerichtet, das Strommesssignal an Mittenpunkten von Einschaltdauern der Leistungsschalter abzutasten und die Kenngröße als eine Funktion des Fehlersignals und des Strommesssignals zu regeln.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung richtet sich im Allgemeinen auf Leistungselektronik und genauer auf eine Steuerung für einen Leistungswandler und ein Verfahren zu dessen Betrieb.
Hintergrund
Ein Schaltnetzteil (auch als ”Leistungswandler” bezeichnet) ist eine Versorgungs- oder Netzteilschaltung, die eine Eingangsspannungswellenform in eine festgelegte Ausgangsspannungswellenform wandelt. Ein Blindleistungskompensations-(”PFC”)-Leistungswandler enthält eine Leistungsübertragung mit einer PFC-Stufe, im Allgemeinen mit anschließender Regel- und Trennstufe. Der Leistungswandler ist mit einer Quelle elektrischer Leistung (einer Wechselstromleistungsquelle) gekoppelt und sieht eine Ausgangsgleichspannung vor. Die PFC-Stufe empfängt eine gleichgerichtete Version der Eingangswechselspannung (von der Wechselstromleistungsquelle) und sieht eine Gleichspannungsbusspannung vor. Die Regel- und Trennstufe verwendet die Busspannung, um die Ausgangsgleichspannung für eine Last vorzusehen. Der Leistungswandler, der die PFC-Stufe und die Regel- und Trennstufe enthält, kann verwendet werden, um einen ”Wechselspannungsadapter” aufzubauen, um die Ausgangsgleichspannung für einen Notebook-Computer oder dergleichen aus der Wechselstromleistungsquelle vorzusehen.
Zu dem Leistungswandler gehörige Steuerungen verwalten dessen Betrieb, indem sie Leitungszeiten von darin verwendeten Leistungsschaltern regeln. Allgemein sind die Steuerungen zwischen einem Eingang und einem Ausgang gekoppelt oder mit Anschlüssen, die zu internen Kenngrößen, wie etwa einer internen Busspannung, des Leistungswandlers gehören, in einer Rückkopplungsschleifenanordnung (auch als ”Regelschleife” oder ”geschlossene” Regelschleife bezeichnet) gekoppelt.
Ein PFC-Leistungswandler ist oft mit zwei verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern aufgebaut, was eine Schaltungsanordnung ist, die oft verwendet wird, um Eingangs- und Ausgangsstromwelligkeit und die Größe von Filtern zu reduzieren, die benötigt sind, um eine Anforderung zu elektromagnetischen Störungen zu erfüllen. Mittelwerts-Stromsteuerung ist auch oft verwendet, um eine Kenngröße des Leistungswandlers zu regeln, wie etwa eine innere Busspannung oder Ausgangsspannung davon. Steuern eines Mittelwerts eines Stroms in einem Aufwärts-Schaltregler, wie etwa eines Strommittelwerts in einer Boost-Induktivität, erzeugt im Allgemeinen ein besseres Ergebnis bezüglich harmonischer Verzerrung und Blindleistungskompensation als Regeln des Spitzenwertes eines Stroms darin.
Jedoch erzeugen herkömmliche Techniken zum Steuern eines Mittelwerts eines Stroms in einem PFC-Leistungswandler, der mit zwei verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern ausgebildet ist, im Allgemeinen ungleiche Ströme in den beiden verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern. Ungleiche Ströme erzeugen einen höheren Pegel an Eingangs- und Ausgangsstromwelligkeit, was die Leistungsfähigkeit des PFC-Leistungswandlers bei elektromagnetischen Störungen verschlechtert.
Was demgemäß in der Technik benötigt ist, ist eine Steuerung, die im Wesentlichen gleiche Ströme in einer Leistungsübertragung erzeugt, die mit zwei verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern ausgebildet ist, um die Mängel nach dem Stand der Technik zu vermeiden.
Zusammenfassung der Erfindung
Technische Vorteile werden allgemein durch vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erreicht, darunter eine Steuerung für einen Leistungswandler und ein Verfahren zu dessen Betrieb. In einer Ausführungsform enthält die Steuerung eine Strommessvorrichtung, die in Reihe mit geschalteten Anschlüssen von Leistungsschaltern von verschachtelten Schaltreglern koppelbar ist und eingerichtet ist, ein Strommesssignal zu erzeugen. Die Steuerung enthält auch einen Fehlerverstärker, eingerichtet, ein Fehlersignal als eine Funktion einer Kenngröße des Leistungswandlers zu erzeugen. Die Steuerung enthält auch eine Tastgradsteuerung, eingerichtet, das Strommesssignal an Mittenpunkten von Einschaltdauern der Leistungsschalter abzutasten und die Kenngröße als eine Funktion des Fehlersignals und des Strommesssignals zu regeln.
Im vorangegangenen Abschnitt wurden die Merkmale und technischen Vorteile der vorliegenden Erfindung eher weit gefasst dargestellt, damit die folgende genaue Beschreibung der Erfindung besser verstanden werden kann. Im Folgenden werden weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung beschrieben, die den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bilden. Für den Fachmann versteht sich, dass das Konzept und die besondere Ausführungsform, die offenbart sind, leicht als Grundlage für Modifikationen oder die Auslegung anderer Strukturen oder Abläufe verwendet werden können, um die gleichen Zwecke wie die vorliegende Erfindung zu erfüllen. Für den Fachmann sollte auch einzusehen sein, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht vom Erfindungsgedanken und Umfang der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt sind, abweichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun auf die folgenden Beschreibungen verwiesen, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung vorgenommen wurden, worin:
1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Leistungswandlers darstellt, die eine Steuerung enthält;
2 ein Prinzipschaltbild eines Teils eines Leistungswandlers darstellt, der eine beispielhafte Leistungsübertragung enthält, die eine Boost-Topologie verwendet;
3 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform eines Leistungswandlers darstellt, die mit zwei verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern ausgebildet ist;
4 grafische Darstellungen beispielhafter Betriebsparameter des Leistungswandlers von 3 darstellt;
5 ein Prinzipschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Leistungswandlers darstellt, die mit zwei verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern ausgebildet ist; und
6 grafische Darstellungen beispielhafter Betriebsparameter des Leistungswandlers von 5 darstellt.
Entsprechende Nummern und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, sofern nichts anderes angegeben, und werden der Kürze halber ggf. nach ihrem ersten Vorkommen nicht nochmals beschrieben. Die Figuren sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte beispielhafter Ausführungsformen darzustellen.
Genaue Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen
Im Folgenden werden die Herstellung und die Verwendung der vorliegenden beispielhaften Ausführungsbeispiele ausführlich erörtert. Es sollte jedoch leicht nachvollziehbar sein, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Ideen vorsieht, die in sehr vielfältigen spezifischen Kontexten ausgeführt werden können. Die erörterten besonderen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich besondere Weisen, die Erfindung herzustellen und zu nutzen, schränken jedoch den Umfang der Erfindung nicht ein.
Ausführungsformen werden bezüglich eines bestimmten Kontexts beschrieben, nämlich dem einer Steuerung für einen Leistungswandler. Ausführungsformen werden zwar in der Umgebung einer Steuerung für einen Blindleistungskompensations-Leistungswandler beschrieben, der mit zwei verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern ausgebildet ist, doch ist jede Anwendung, die von einer Steuerung einen Vorteil ziehen kann, darunter ein Leistungsverstärker oder eine Motorsteuerung, ebenfalls in den weiten Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
Zu Beginn ist mit Bezug auf 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Leistungswandlers dargestellt, der eine Steuerung 110 enthält. Der Leistungswandler ist mit dem Wechselstromnetz gekoppelt, das durch eine Wechselstromquelle dargestellt ist, die eine Eingangsspannung Vin vorsieht. Der Leistungswandler enthält eine Leistungsübertragung 105, die durch die Steuerung 110 gesteuert wird. Die Steuerung 110 misst allgemein eine Betriebsgröße des Leistungswandlers, wie etwa seine Ausgangsspannung Vout oder eine interne Busspannung, und erzeugt ein Gate-Ansteuersignal GD zum Steuern eines Tastgrads D eines Leistungsschalters darin als Ergebnis der gemessenen Betriebsgröße, um diese zu regeln. Die Leistungsübertragung 105 kann vielfache Leistungsstufen enthalten, um eine geregelte Ausgangsspannung Vout oder andere Ausgangskenngröße für eine Last vorzusehen. Die Leistungsübertragung 105 des Leistungswandlers enthält im Allgemeinen eine Vielzahl von Leistungsschaltern, die mit einer magnetischen Vorrichtung gekoppelt sind, um die Leistungsumrichtfunktion vorzusehen.
Nun zu 2, in der ein Prinzipschaltbild eines Teils eines Leistungswandlers dargestellt ist, der eine beispielhafte Leistungsübertragung (z. B. eine Blindleistungskompensations-(”PFC”)-Stufe 201) enthält, die einen Aufwärts-Schaltregler (z. B. eine PFC-Booststufe) verwendet. Die PFC-Stufe 201 des Leistungswandlers empfängt eine Eingangsspannung Vin (z. B. eine ungeregelte Eingangswechselspannung) aus einer Quelle elektrischer Leistung, wie etwa einem Wechselstromnetz, an einem Eingang davon und sieht eine geregelte Ausgangsgleichspannung Vout (z. B. eine Busspannung) vor. Im Einklang mit den Grundgedanken einer Boost-Topologie ist die Ausgangsspannung Vout im Allgemeinen höher als die Eingangsspannung Vin, sodass ein Schaltbetrieb davon die Ausgangsspannung Vout regeln kann. Ein Haupt-Leistungsschalter S_A1 (z. B. ein ”aktiver” n-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiterschalter (”NMOS”-Schalter)) wird durch ein Gate-Ansteuersignal GD für ein primäres Intervall befähigt zu leiten und legt die Eingangsspannung Vin über einen Brückengleichrichter 203 an eine Boost-Induktivität L_B1 an. Während eines primären Intervalls D eines Schaltzyklus steigt ein Induktivitätsstrom i_in und fließt durch die Boost-Induktivität L_B1 zur örtlichen Schaltungsmasse. Die Boost-Induktivität L_B1 ist im Allgemeinen mit einer einlagigen Wicklung ausgebildet, um den Proximity-Effekt zu reduzieren und damit den Wirkungsgrad des Leistungswandlers zu erhöhen.
Der Tastgrad für die PFC-Stufe 201 hängt im eingeschwungenen Zustand vom Verhältnis der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung Vin bzw. Vout ab, nach der Gleichung: D = 1 – Vin / Vout.
Während des komplementären Intervalls 1 – D ist der Haupt-Leistungsschalter S_A1 in einen nicht leitenden Zustand übergegangen, und ein Hilfs-Leistungsschalter (z. B. die Diode D_A1) leitet. In einer alternativen Schaltungsanordnung kann der Hilfs-Leistungsschalter einen zweiten aktiven Schalter enthalten, der durch ein komplementäres Gate-Ansteuersignal gesteuert wird zu leiten. Der Hilfs-Leistungsschalter D_A1 sieht einen Pfad vor, Kontinuität des Induktivitätsstroms i_in aufrecht zu erhalten, der durch die Boost-Induktivität L_B1 fließt. Während des komplementären Intervalls 1 – D sinkt der durch die Boost-Induktivität L_B1 fließende Induktivitätsstrom i_in und kann zu Null werden und über einen Zeitraum Null bleiben, was zu einem ”Betriebsmodus mit diskontinuierlicher Leitung” führt.
Während des komplementären Intervalls 1 – D fließt der durch die Boost-Induktivität L_B1 fließende Induktivitätsstrom i_in durch die Diode D_A1 (d. h. den Hilfs-Leistungsschalter) in einen Filterkondensator C_H. Im Allgemeinen kann der Tastgrad des Haupt-Leistungsschalters S_A1 (und der komplementäre Tastgrad des Hilfs-Leistungsschalters D_A1) eingestellt werden, um eine Regelung der Ausgangsspannung Vout der PFC-Stufe 201 aufrecht zu erhalten. Fachleute verstehen, dass Leitungsdauern für den Haupt- und den Hilfs-Leistungsschalter S_A1 bzw. D_A1 durch Verwendung von ”Dämpfungs”-Schaltkreiselementen (nicht gezeigt) oder durch Zeitgebung der Steuerschaltung um ein kleines Zeitintervall getrennt sein können, um Querleitungsstrom dazwischen zu vermeiden und die Schaltverluste günstig zu reduzieren, die mit dem Leistungswandler verknüpft sind. Schaltungs- und Steuertechniken zum Vermeiden von Querleitungsströmen zwischen dem Haupt- und dem Hilfs-Leistungsschalter S_A1 bzw. D_A1 sind in der Technik wohl verstanden und werden im Interesse der Kürze nicht weiter beschrieben. Die Boost-Induktivität L_B1 ist im Allgemeinen mit einer einlagigen Wicklung ausgebildet, um Verlustleistung zu reduzieren, die mit dem Proximity-Effekt verknüpft ist.
Nun zu 3, in der ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform eines Leistungswandlers dargestellt ist, die mit zwei verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern ausgebildet ist (einem ersten und einem zweiten verschachtelten Aufwärts-Schaltregler, siehe z. B. die PFC-Stufe 201 von 2). Die verschachtelten Aufwärts-Schaltregler und eine Regel- und Trennstufe können verwendet werden, um einen ”Wechselspannungsadapter” aufzubauen, um eine Ausgangsgleichspannung Vout (z. B. 19,5 Volt) für einen Notebook-Computer aus einer Netz-Wechselstromquelle (dargestellt durch die Eingangsspannung Vin) vorzusehen.
Die Eingangsspannung Vin ist an eine Dioden-Vollbrücke 350 angelegt, um eine gleichgerichtete Eingangsspannung zu erzeugen. Ein Kondensator C_R ist ein Hochfrequenz-Bypasskondensator, und ein Filterkondensator C_H filtert die Ausgangsspannung Vout. Eine Diode D_CH ist enthalten, um Überschwingen der Ausgangsspannung Vout während des Anlaufs des Leistungswandlers zu verhindern.
Der erste verschachtelte Aufwärts-Schaltregler ist mit einer ersten Boost-Induktivität L_B1, einem ersten Haupt-Leistungsschalter S_A1 und einem ersten Strommesswiderstand R1 ausgebildet. Der zweite verschachtelte Aufwärts-Schaltregler ist mit einer zweiten Boost-Induktivität L_B2, einem zweiten Haupt-Leistungsschalter S_A2 und einem zweiten Strommesswiderstand R2 ausgebildet. Ein Fehlerverstärker 320 misst die Ausgangsspannung Vout, die mit einer Leistungssystem-Referenzspannung V_system verglichen wird, um ein Fehlersignal 360 zu erzeugen. Das Fehlersignal 360 ist an den invertierenden Eingang eines Komparators 330 angelegt, der das Fehlersignal 360 mit einem Strommesssignal vergleicht, das über dem zweiten Strommesswiderstand R2 erzeugt wird, um ein Strommittelwertsignal 370 zu erzeugen. Das Strommittelwertsignal 370 wird durch eine Tastgradsteuerung 340 verwendet, um ein Gate-Ansteuersignal GD2 zu erzeugen, um den zweiten Haupt-Leistungsschalter S_A2 des zweiten verschachtelten Aufwärts-Schaltreglers zu steuern. Ähnlich ist das Fehlersignal 360 an den invertierenden Eingang eines Komparators 335 angelegt, der das Fehlersignal 360 mit einem Strommesssignal vergleicht, das über dem ersten Strommesswiderstand R1 erzeugt wird, um ein Strommittelwertsignal 375 zu erzeugen. Das Strommittelwertsignal 375 wird durch eine Tastgradsteuerung 340 verwendet, um ein Gate-Ansteuersignal GD1 zu erzeugen, um den ersten Haupt-Leistungsschalter S_A1 des ersten verschachtelten Aufwärts-Schaltreglers zu steuern.
Im Leistungswandler ist eine Steuerung 310 ausgebildet, um Tastgrade D1, D2 und dementsprechend Gate-Ansteuersignale GD1, GD2 für den ersten bzw. zweiten Haupt-Leistungsschalter S_A1, S_A2 des ersten bzw. zweiten verschachtelten Aufwärts-Schaltreglers zu erzeugen. Die Steuerung 310 enthält den Fehlerverstärker 320 mit einem nichtinvertierenden Eingang, der mit einer Referenzspannung V_system gekoppelt ist, und einem invertierenden Eingang, der mit der Ausgangsspannung Vout des Leistungswandlers gekoppelt ist. In einer Ausführungsform ist der invertierende Eingang des Fehlerverstärkers 320 mit der Ausgangsspannung Vout über einen Widerstands-Spannungsteiler (nicht gezeigt) gekoppelt, um einen skalierten Wert der Ausgangsspannung Vout zu erzeugen.
Ein Ausgang des Fehlerverstärkers 320 ist mit einem Eingang des Komparators 330 und einem Eingang des Komparators 335 gekoppelt, und der andere Eingang des Komparators 330 ist mit dem zweiten Strommesswiderstand R2 gekoppelt. Ein weiterer Eingang des Komparators 335 ist mit dem ersten Strommesswiderstand R1 gekoppelt. Strommittelwerte in der ersten und der zweiten Boost-Induktivität L_B1, L_B2 werden erhalten, indem Ströme in dem ersten und dem zweiten Haupt-Leistungsschalter S_A1, S_A2 an ihren jeweiligen Mittenpunkten ihrer Einschaltdauern (d. h. während ihres jeweiligen Tastgrads D1, D2) abgetastet werden. Die Strommittelwertsignale 370, 375 von den Komparatoren 330 bzw. 335 sind an die Tastgradsteuerung 340 angelegt.
Die Steuerung 310 verwendet die Tastgradsteuerung 340, um die Tastgrade D1, D2 für die Gate-Ansteuersignale GD1, GD2 zu erzeugen und die Mittenpunkte der Einschaltdauern des ersten und des zweiten Haupt-Leistungsschalters S_A1, S_A2 zu bestimmen. Die Steuerung 310 tastet die Ströme des ersten und des zweiten Haupt-Leistungsschalters S_A1, S_A2 an ihren jeweiligen Mittenpunkten ihrer Einschaltdauern ab. Stromausgleich wird erreicht, indem die Stromabtastungen von den beiden verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern verglichen werden und der jeweilige Tastgrad für jeden Aufwärts-Schaltregler justiert wird. Der Stromausgleich zwischen den beiden verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern wird ungenau erreicht, aufgrund ungleicher Offsets der Komparatoren 330, 335, Ungleichheit des ersten und des zweiten Strommesswiderstands R1, R2 und ungenauer Zeitgebung zum Strommessen an den Mittenpunkten der Einschaltdauern des ersten bzw. zweiten Haupt-Leistungsschalters S_A1, S_A2 des ersten und des zweiten verschachtelten Aufwärts-Schaltreglers.
Nun zu 4, in der grafische Darstellungen beispielhafter Betriebsparameter des Leistungswandlers von 3 dargestellt sind. Die Stromkurve 410 stellt Strom in der ersten Boost-Induktivität L_B1 dar, und die Stromkurve 420 stellt Strom in der zweiten Boost-Induktivität L_B2 dar. Die Einschaltdauer für den ersten verschachtelten Aufwärts-Schaltregler wird durch die Tastgradsteuerung 340 zu einer Anfangszeit 460 eines Schaltzyklus der Dauer ΔT_S angestoßen, und der Schaltzyklus endet zu einer Endzeit 475. Die Einschaltdauer für den zweiten verschachtelten Aufwärts-Schaltregler wird durch die Tastgradsteuerung 340 zu einem Mittenpunkt 465 des Schaltzyklus angestoßen. Die Einschaltdauer D1 für den ersten verschachtelten Aufwärts-Schaltregler ist zum Punkt 470 beendet. Der Strom im ersten Haupt-Leistungsschalter S_A1 wird am Mittenpunkt 430 seiner Einschaltdauer abgetastet.
In einem oberen Teil von 4 sind eine Stromkurve 440 von Strom im ersten Haupt-Leistungsschalter S_A1 und eine Stromkurve 450 von Strom im zweiten Haupt-Leistungsschalter S_A2 dargestellt. Ein effektiver, durch den Fehlerverstärker 320 erzeugter Schwellenpegel 480 für den Komparator 330 (überschreitende Stromkurve 440 zur Zeit 485) und ein entsprechender effektiver Schwellenpegel 490 für den Komparator 335 (überschreitende Stromkurve 450 zur Zeit 495) sind im oberen Teil von 4 dargestellt. Diese effektiven Schwellenpegel 480, 490 sind nicht gleich, aufgrund der ungleichen Offsets der Komparatoren 330, 335, der ungleichen Widerstandswerte des ersten und des zweiten Strommesswiderstands R1, R2 und der Ungenauigkeit der Zeitgebung zur Strommessung an den Mittenpunkten 430, 465 der Einschaltdauern des jeweiligen ersten und zweiten Haupt-Leistungsschalters S_A1, S_A2 des ersten und des zweiten verschachtelten Aufwärts-Schaltreglers. Als Ergebnis sind die Haupt-Leistungsschalter-Stromkurven 440, 450 nicht gleicher Amplitude, ebenso die Stromkurven 410, 420 von Strömen in der ersten und der zweiten Boost-Induktivität L_B1 bzw. L_B2, was zu einem höheren Pegel an elektromagnetischen Störungen und ungleicher Erwärmung von Bauteilen in den beiden verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern führt.
Nun zu 5, in der ein Prinzipschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Leistungswandlers dargestellt ist, die mit zwei verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern ausgebildet ist (einem ersten und einem zweiten verschachtelten Aufwärts-Schaltregler, siehe z. B. die PFC-Stufe 201 von 2). Es ist anzumerken, dass ähnliche Elemente beim Leistungswandler von 3 bezüglich des Leistungswandlers von 5 nicht erneut beschrieben werden. Der erste Aufwärts-Schaltregler ist mit einer ersten Boost-Induktivität L_B1 und einem ersten Haupt-Leistungsschalter S_A1 ausgebildet. Der zweite Aufwärts-Schaltregler ist mit einer zweiten Boost-Induktivität L_B2 und einem zweiten Haupt-Leistungsschalter S_A2 ausgebildet. Ein gemeinsamer Strommesswiderstand RS misst einen summierten Strom des ersten und des zweiten Haupt-Leistungsschalters S_A1, S_A2. Im Leistungswandler ist eine Steuerung 510 ausgebildet, um die Tastgrade D1, D2 und dementsprechend die Gate-Ansteuersignale GD1, GD2 für den ersten bzw. den zweiten Haupt-Leistungsschalter S_A1, S_A2 des ersten bzw. zweiten verschachtelten Aufwärts-Schaltreglers zu erzeugen. Ein Fehlerverstärker 520 misst die Ausgangsspannung Vout, die mit einer Leistungssystem-Referenzspannung V_system verglichen wird, um ein Fehlersignal 560 zu erzeugen. Der invertierende Eingang des Fehlerverstärkers 520 kann mit der Ausgangsspannung Vout über einen Widerstands-Spannungsteiler (nicht gezeigt) gekoppelt sein, um einen skalierten Wert der Ausgangsspannung Vout zu erzeugen. Das Fehlersignal 560 ist an einen invertierenden Eingang eines Komparators 530 angelegt, der das Fehlersignal 560 mit einem Strommesssignal vergleicht, das über dem gemeinsamen Strommesswiderstand RS erzeugt wird, um ein Strommittelwertsignal 570 zu erzeugen. Das Strommittelwertsignal 570 wird von einer Tastgradsteuerung 540 verwendet, um Tastgradsignale D1, D2 zu erzeugen, um den ersten und den zweiten Haupt-Leistungsschalter S_A1, S_A2 anzusteuern. Auf diese Weise werden Abtastungen aus einer Summe der Haupt-Leistungsschalter-Ströme in der Mitte ihrer jeweiligen Einschaltdauern erhalten. Somit verwendet die Steuerung 510 die Tastgradsteuerung 540, um die Tastgrade D1, D2 durch Abtasten der Ströme des ersten und des zweiten Haupt-Leistungsschalters S_A1, S_A2 an ihren jeweiligen Mittenpunkten ihrer Einschaltdauern zu erzeugen.
Stromausgleich wird erreicht, indem die Stromabtastungen von den beiden verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern verglichen und der jeweilige Tastgrad für jeden Aufwärts-Schaltregler justiert wird. Stromausgleich zwischen den beiden verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern wird mit dem Komparator 530 und dem gemeinsamen Strommesswiderstand RS erreicht. Wenn Tastgrade D1, D2 des ersten und des zweiten Haupt-Leistungsschalters S_A1, S_A2 auf weniger als 50% begrenzt sind, stellt jeder jeweilige Stromabtastwert, der am Mittenpunkt der jeweiligen Einschaltdauer erhalten ist, den Strom von dem jeweiligen verschachtelten Aufwärts-Schaltregler dar. Ungeradzahlige Stromabtastwerte werden mit geradzahligen Abtastwerten verglichen, was die Anzahl der Analog-Digital-Kanäle (”A/D-Kanäle”) um eins verringert, verbesserten Stromausgleich erzeugt und eine Lösung mit niedrigeren Kosten vorsieht.
In einer Ausführungsform kann der gemeinsame Strommesswiderstand aus zwei Strommesswiderständen ausgebildet sein, einem in Reihe mit einem geschalteten Anschluss eines Haupt-Leistungsschalters und dem anderen in Reihe mit einem geschalteten Anschluss des anderen Haupt-Leistungsschalters. Die beiden Strommesswiderstände sind zusammen mit Source-Anschlüssen der Haupt-Leistungsschalter gekoppelt. In einer Ausführungsform ist ein Strommesstransformator oder eine andere Strommessvorrichtung, wie etwa eine Hall-Effekt-Vorrichtung, anstelle eines Strommesswiderstands verwendet. Somit kann eine Strommessvorrichtung einen Strommesswiderstand, einen Strommesstransformator oder eine andere Strommesseinrichtung umfassen.
Nun zu 6, in der grafische Darstellungen beispielhafter Betriebsparameter des Leistungswandlers von 5 dargestellt sind. Eine Stromkurve 610 stellt Strom in der ersten Boost-Induktivität L_B1 dar, und eine Stromkurve 620 stellt Strom in der zweiten Boost-Induktivität L_B2 dar. Die Einschaltdauer D1 für den ersten verschachtelten Aufwärts-Schaltregler wird durch die Tastgradsteuerung 540 zu einer Anfangszeit 660 eines Schaltzyklus der Dauer ΔT_S angestoßen, und der Schaltzyklus endet zu einer Endzeit 675. Die Einschaltdauer für den zweiten verschachtelten Aufwärts-Schaltregler wird durch die Tastgradsteuerung 540 zu einem Mittenpunkt 665 des Schaltzyklus angestoßen. Die Einschaltdauer D1 für den ersten verschachtelten Aufwärts-Schaltregler ist zu einer Zeit 670 beendet. Die Einschaltdauern D1, D2 sind so geregelt, das der erste und der zweite verschachtelte Aufwärts-Schaltregler um 180 Grad phasenversetzt sind. Der Strom im ersten Haupt-Leistungsschalter S_A1 wird am Mittenpunkt 630 seiner Einschaltdauer D1 abgetastet.
Im mittleren Teil von 6 sind eine Stromkurve 640 von Strom im ersten Haupt-Leistungsschalter S_A1 und eine Stromkurve 650 von Strom im zweiten Haupt-Leistungsschalter S_A2 dargestellt. Ein effektiver Schwellenpegel 680 für den Komparator 530 wird durch den Fehlerverstärker 520 (in 5 dargestellt) erzeugt und ist im oberen Teil von 6 dargestellt. Der effektive Schwellenpegel 680 wird mit dem Komparator 530 und dem gemeinsamen Strommesswiderstand RS erzeugt. Als Ergebnis sind die im mittleren Teil von 6 dargestellten Stromkurven 640, 650 im Wesentlichen gleicher Amplitude, ebenso die Stromkurven 610, 620 von Strömen in der ersten und der zweiten Boost-Induktivität L_B1 bzw. L_B2 Dies erzeugt einen niedrigeren Pegel an elektromagnetischen Störungen und im Wesentlichen gleiche Erwärmung von Bauteilen in den beiden verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern.
Eine Stromkurve 690 eines Stroms im gemeinsamen Strommesswiderstand RS ist im oberen Teil von 6 dargestellt. Da die Einschaltdauer D1, D2 jedes aus dem ersten und dem zweiten Haupt-Leistungsschalter S_A1, S_A2 auf weniger als einen oberen Einschaltdauer-Grenzwert begrenzt ist (z. B. 95 Prozent), wird ein Zeitfenster 695 erzeugt, während dessen kein Strom durch einen Haupt-Leistungsschalter (oder einen geschalteten Anschluss davon) fließt, wenn der Haupt-Leistungsschalter-Strom des anderen Haupt-Leistungsschalters (oder eines geschalteten Anschlusses davon) während seiner Einschaltzeit abgetastet wird. Somit können ein gemeinsamer Strommesswiderstand RS und ein einziger Komparator 530 verwendet werden, um unabhängig einen Strom sowohl im ersten als auch im zweiten Haupt-Leistungsschalter S_A1, S_A2 zu messen, wodurch die Auswirkung ungleicher Strommesswiderstände und Komparatoren mit ungleichen Offsets beseitigt ist.
Somit wurde hier eine Steuerung für einen Leistungswandler und ein Verfahren zu seinem Betrieb eingeführt. In einer Ausführungsform enthält die Steuerung eine Strommessvorrichtung (z. B. einen gemeinsamen Strommesswiderstand), die in Reihe mit geschalteten Anschlüssen von Leistungsschaltern (z. B. Haupt-Leistungsschaltern) von verschachtelten Schaltreglern (z. B. verschachtelten Aufwärts-Schaltreglern) gekoppelt sein können und eingerichtet sind, ein Strommesssignal zu erzeugen. Die Steuerung enthält auch einen Fehlerverstärker, eingerichtet, ein Fehlersignal als eine Funktion einer Kenngröße (z. B. einer Ausgangsspannung) des Leistungswandlers und einer Referenzspannung (z. B. einer Leistungssystem-Referenzspannung) zu erzeugen.
Die Steuerung enthält auch eine Tastgradsteuerung, eingerichtet, das Strommesssignal an Mittenpunkten von Einschaltdauern der Leistungsschalter abzutasten und die Kenngröße als eine Funktion des Fehlersignals und des Strommesssignals zu regeln. Die Steuerung enthält auch einen Komparator, eingerichtet, ein Strommittelwertsignal als eine Funktion des Strommesssignals und des Fehlersignals zu erzeugen. Dementsprechend ist die Tastgradsteuerung eingerichtet, Ansteuersignale für die Leistungsschalter zu erzeugen und ihre Tastgrade als eine Funktion des Strommittelwertsignals zu steuern. In einer Ausführungsform stellt ein abgetastetes Strommesssignal einen Strom durch einen geschalteten Anschluss eines der Leistungsschalter dar, wenn ein durch einen geschalteten Anschluss eines anderen der Leistungsschalter fließender Strom im Wesentlichen gleich Null ist. In einer weiteren Ausführungsform wird einer der verschachtelten Schaltregler mit einer um 180 Grad bezüglich eines anderen der verschachtelten Schaltregler phasenversetzten Einschaltdauer gesteuert.
Die Steuerung oder das zugehörige Verfahren können als Hardware umgesetzt sein (verkörpert in einem oder mehreren Chips, die eine integrierte Schaltung, wie etwa eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, enthalten) oder können als Software oder Firmware zur Ausführung durch einen Prozessor (z. B. einen digitalen Signalprozessor) gemäß einem Speicher umgesetzt sein. Insbesondere kann im Falle von Firmware oder Software die beispielhafte Ausführungsform als ein Computerprogrammprodukt vorgesehen sein, das einen computerlesbaren Datenträger enthält, der Computer-Programmcode (d. h. Software oder Firmware) darauf zur Ausführung durch den Prozessor enthält.
Programm- oder Codeabschnitte, die verschiedene Ausführungsformen ausmachen, können auf dem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein. Zum Beispiel kann ein Computerprogrammprodukt, das einen auf einem computerlesbaren Datenträger (z. B. einem nicht vorübergehenden computerlesbaren Datenträger) gespeicherten Programmcode enthält, verschiedene Ausführungsformen bilden. Der ”computerlesbare Datenträger” kann jeden beliebigen Datenträger enthalten, der Informationen speichern oder übertragen kann. Beispiele des computerlesbaren Datenträgers enthalten eine elektronische Schaltung, einen Halbleiter-Speicherbaustein, einen Nur-Lese-Speicher (”ROM”), einen Flash-Speicher, ein löschbares ROM (”EROM”), eine Floppy-Disk, eine Compact Disk(”CD”-)ROM und dergleichen.
Fachleute sollten verstehen, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsformen eines Leistungswandlers, der einen magnetischen Aufbau mit U-förmigen Kernstücken enthält, die auf einem geradlinigen Kernstück positioniert sind, und zugehörige Verfahren zum Ausbilden derselben nur zu erläuternden Zwecken dargelegt wurden. Während ein magnetischer Aufbau im Umfeld eines Leistungswandlers beschrieben wurde, kann der magnetische Aufbau auch auf andere Systeme angewendet werden, wie etwa, ohne Einschränkung, einen Leistungsverstärker und eine Motorsteuerung.
Für eine besseres Verständnis von Leistungswandlern siehe "Modern DC-to-DC Power Switch-mode Power Converter Circuits" von Rudolph P. Severns und Gordon Bloom, Van Nostrand Reinhold Company, New York, New York (1985) und "Principles of Power Electronics" von J. G. Kassakian, M. F. Schlecht und G. C. Verghese, Addison-Wesley (1991). Die zuvor erwähnten Referenzen sind hier in ihrer Gesamtheit durch den Bezug darauf einbezogen.
Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile ausführlich beschrieben wurden, sollte auch selbstverständlich sein, dass hieran verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Umfang der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen. Zum Beispiel können viele der oben erörterten Abläufe nach verschiedenen Methoden umgesetzt werden und durch andere Abläufe oder eine Kombination davon ersetzt werden.
Außerdem soll der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf die besonderen Ausführungsformen des Ablaufs, der Maschine, der Herstellung, der Stoffzusammensetzung, der Mittel, der Verfahren und der Schritte, die in der Offenbarung beschrieben sind, beschränkt sein. Wie ein Durchschnittsfachmann ohne Weiteres aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung erfassen kann, können Abläufe, Maschinen, Herstellungsarten, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte, die derzeit existieren oder später entwickelt werden, und im Wesentlichen dieselbe Funktion erfüllen oder im Wesentlichen zum gleichen Ergebnis führen, gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Dementsprechend sollen die beigefügten Ansprüche solche Abläufe, Maschinen, Herstellungsarten, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte in ihren Umfang einschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Modern DC-to-DC Power Switch-mode Power Converter Circuits” von Rudolph P. Severns und Gordon Bloom, Van Nostrand Reinhold Company, New York, New York (1985) [0043]
”Principles of Power Electronics” von J. G. Kassakian, M. F. Schlecht und G. C. Verghese, Addison-Wesley (1991) [0043]

Claims

Steuerung zur Verwendung bei einem Leistungswandler, der mit verschachtelten Schaltreglern ausgebildet ist, umfassend: eine Strommessvorrichtung, die in Reihe mit geschalteten Anschlüssen von Leistungsschaltern der verschachtelten Schaltregler koppelbar ist und eingerichtet ist, ein Strommesssignal zu erzeugen; einen Fehlerverstärker, eingerichtet, ein Fehlersignal als eine Funktion einer Kenngröße des Leistungswandlers zu erzeugen; und eine Tastgradsteuerung, eingerichtet, das Strommesssignal an Mittenpunkten von Einschaltdauern der Leistungsschalter abzutasten und die Kenngröße als eine Funktion des Fehlersignals und des Strommesssignals zu regeln.
Steuerung nach Anspruch 1, wobei die Strommessvorrichtung ein gemeinsamer Strommesswiderstand ist.
Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kenngröße des Leistungswandlers eine Ausgangsspannung ist.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Fehlerverstärker eingerichtet ist, das Fehlersignal als eine Funktion einer Referenzspannung zu erzeugen.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend einen Komparator, eingerichtet, ein Strommittelwertsignal als eine Funktion des Strommesssignals und des Fehlersignals zu erzeugen.
Steuerung nach Anspruch 5, wobei die Tastgradsteuerung eingerichtet ist, Ansteuersignale für die Leistungsschalter zu erzeugen und ihre Tastgrade als eine Funktion des Strommittelwertsignals zu steuern.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein abgetastetes Strommesssignal einen Strom durch einen geschalteten Anschluss eines der Leistungsschalter darstellt, wenn ein durch einen geschalteten Anschluss eines anderen der Leistungsschalter fließender Strom im Wesentlichen gleich Null ist.
Verfahren zur Verwendung bei einem Leistungswandler, der mit verschachtelten Schaltreglern ausgebildet ist, umfassend: Erzeugen eines Strommesssignals mit einer Strommessvorrichtung in Reihe mit geschalteten Anschlüssen von Leistungsschaltern der verschachtelten Schaltregler; Erzeugen eines Fehlersignals als eine Funktion einer Kenngröße des Leistungswandlers; Abtasten des Strommesssignals an Mittenpunkten von Einschaltdauern der Leistungsschalter; und Regeln der Kenngröße als eine Funktion des Fehlersignals und des Strommesssignals.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Erzeugen des Fehlersignals eine Funktion einer Referenzspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, weiter umfassend ein Erzeugen eines Strommittelwertsignals als eine Funktion des Strommesssignals und des Fehlersignals.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend ein Erzeugen von Ansteuersignalen für die Leistungsschalter und Steuern ihrer Tastgrade als eine Funktion des Strommittelwertsignals.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei ein abgetastetes Strommesssignal einen Strom durch einen geschalteten Anschluss eines der Leistungsschalter darstellt, wenn ein durch einen geschalteten Anschluss eines anderen der Leistungsschalter fließender Strom im Wesentlichen gleich Null ist.
Leistungswandler, umfassend: einen ersten verschachtelten Schaltregler, enthaltend einen ersten Leistungsschalter; einen zweiten verschachtelten Schaltregler, enthaltend einen zweiten Leistungsschalter; und eine Steuerung, umfassend: eine Strommessvorrichtung, die in Reihe mit geschalteten Anschlüssen des ersten und des zweiten Leistungsschalters koppelbar ist und eingerichtet ist, ein Strommesssignal zu erzeugen; einen Fehlerverstärker, eingerichtet, ein Fehlersignal als eine Funktion einer Kenngröße des Leistungswandlers zu erzeugen; und eine Tastgradsteuerung, eingerichtet, das Strommesssignal an Mittenpunkten von Einschaltdauern des ersten und des zweiten Leistungsschalters abzutasten und die Kenngröße als eine Funktion des Fehlersignals und des Strommesssignals zu regeln.
Leistungswandler nach Anspruch 13, wobei die Strommessvorrichtung ein gemeinsamer Strommesswiderstand ist.
Leistungswandler nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Kenngröße des Leistungswandlers eine Ausgangsspannung ist.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Fehlerverstärker eingerichtet ist, das Fehlersignal als eine Funktion einer Referenzspannung zu erzeugen.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Steuerung weiter einen Komparator umfasst, eingerichtet, ein Strommittelwertsignal als eine Funktion des Strommesssignals und des Fehlersignals zu erzeugen.
Leistungswandler nach Anspruch 17, wobei die Tastgradsteuerung eingerichtet ist, Ansteuersignale für den ersten und den zweiten Leistungsschalter zu erzeugen und ihre Tastgrade als eine Funktion des Strommittelwertsignals zu steuern.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei ein abgetastetes Strommesssignal einen Strom durch einen geschalteten Anschluss des ersten Leistungsschalters darstellt, wenn ein durch einen geschalteten Anschluss des zweiten Leistungsschalters fließender Strom im Wesentlichen gleich Null ist.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei der erste verschachtelte Schaltregler mit einer um 180 Grad bezüglich des zweiten verschachtelten Schaltreglers phasenversetzten Einschaltdauer gesteuert ist.