DE102013107774A1

DE102013107774A1 - Softstart einer Leistungswandlerstufe

Info

Publication number: DE102013107774A1
Application number: DE102013107774.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Schmid; Josef Fisch; Jörg Oehmen
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-02-19

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brückenschaltung einer Wandlerstufe eines elektrischen Leistungswandlers mit einem ersten Highside-Schalter und einem ersten Lowside-Schalter während einer Hochfahrperiode der Wandlerstufe beschrieben, wobei der erste Highside-Schalter und der erste Lowside-Schalter jeweils mit einem gepulsten Ansteuersignal mit einer Einschaltzeit und einer Ausschaltzeit angesteuert werden. Das Verfahren umfasst zumindest eine erste Phase, in welcher die Brückenschaltung derart gesteuert wird, dass die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters schrittweise erhöht wird. Es kann außerdem eine zweite Phase vorgesehen sein, in welcher die Brückenschaltung mit einem Sollwert für eine Ausgangsgröße geregelt wird, wobei der Sollwert während der zweiten Phase von einem Start-Sollwert auf einen End-Sollwert geändert wird. Ferner werden ein elektrischer Leistungswandler und ein Beleuchtungssystem beschrieben, in welchen das genannte Verfahren eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brückenschaltung einer Leistungswandlerstufe, insbesondere einer Halbbrückenschaltung oder einer Vollbrückenschaltung einer Leistungswandlerstufe, sowie einen elektrischen Leistungswandler und ein Beleuchtungssystem, bei denen jeweils ein derartiges Verfahren eingesetzt wird. Das Verfahren dient insbesondere dazu, einen sanften Anlauf, in Fachkreisen Softstart genannt, der Leistungswandlerstufe durchzuführen.
Aus dem Stand der Technik sind elektrische Leistungswandler mit einer oder mehreren Wandlerstufen bekannt. Ein elektrischer Leistungswandler kann beispielsweise einen AC-DC-Wandler mit Power-Factor-Correction-(PFC)-Schaltung umfassen, an deren Ausgang eine DC/DC-Wandlerstufe, z. B. eine resonante Halb- oder Vollbrückenschaltung, gekoppelt ist. In dem Leistungspfad eines derartigen Leistungswandlers befindet sich eine resonante Schaltung bestehend aus Kondensatoren, Induktivitäten und Transformatoren. Im Fall einer Halbbrückenschaltung umfasst die Eingangsstufe der DC/DC-Wandlerstufe einen Highside-Schalter und einen Lowside-Schalter. Die Regelung des Leistungswandlers kann im Normalbetrieb durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) von Ansteuersignalen, z. B. Gate-Signalen, der Schalter der Halbbrückenschaltung erfolgen. Das heißt, dass die Schaltfrequenz konstant gehalten wird und die Steuerung des Leistungsflusses durch Regelung der Einschaltzeiten der zwei Halbbrückenschalter erfolgt. Die beiden Schalter werden dabei gegenphasig mit einer geringen Totzeit zur Vermeidung eines Brückenkurzschlusses betrieben. Als Stellgröße der Regelung kann beispielsweise die Einschaltzeit des Highside-Schalters oder das Tastverhältnis für den Highside-Schalter verwendet werden. Im Fall einer Vollbrückenschaltung umfasst die Eingangsstufe der DC/DC-Wandlerstufe zwei Highside-Schalter und zwei Lowside-Schalter, wobei jeweils ein Highside- und ein Lowside-Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind. Die Ansteuersignale sind daher ähnlich wie bei einer Halbbrückenschaltung.
Beim Hochfahren der Wandlerstufe, z. B. nach einem Einschalten des Leistungswandlers oder nach einem „Aufwachen” aus einem Standby-Modus, kommt es durch die hohe Regelabweichung anfänglich zu großen Einschaltzeiten bzw. zu einem großen Tastverhältnis, wodurch sich hohe Ströme im Resonanzkreis ergeben, die zu einer Beschädigung von Schaltungskomponenten führen können.
Es ist daher wünschenswert, einen Softstart einer Leistungswandlerstufe mit einer Voll- oder Halbbrückenschaltung zu ermöglichen, bei dem hohe Ströme während einer Hochfahrperiode vermieden werden, ohne dass eine große Anzahl zusätzlicher Komponenten erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, den elektrischen Leistungswandler gemäß Anspruch 14 sowie das Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 18 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brückenschaltung, insbesondere einer Halbbrückenschaltung, einer Wandlerstufe eines elektrischen Leistungswandlers mit einem ersten Highside-Schalter und einem ersten Lowside-Schalter während einer Hochfahrperiode der Wandlerstufe bereitgestellt, wobei der erste Highside-Schalter und der erste Lowside-Schalter jeweils mit einem gepulsten Ansteuersignal mit einer Einschaltzeit und einer Ausschaltzeit angesteuert werden. Das Verfahren umfasst zumindest eine erste Phase, in welcher die Brückenschaltung derart gesteuert wird, dass die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters schrittweise erhöht wird.
Die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters kann dabei ausgehend von einer relativ geringen Einschaltzeit schrittweise erhöht werden. Auf diese Weise werden hohe Stromspitzen während der Hochfahrperiode weitestgehend vermieden, so dass die Schaltungskomponenten vor einer Beschädigung geschützt sind. Beispielsweise werden die kapazitiven Ladeströme reduziert, so dass keine Überströme auftreten.
Bei einer Halbbrückenschaltung sind der Highside-Schalter und der Lowside-Schalter üblicherweise in Serie geschaltet, wobei der Highside-Schalter an einen Leistungseingang der Wandlerstufe gekoppelt ist und der Lowside-Schalter an eine Masse gekoppelt ist. Ein Schaltungsknoten zwischen dem Highside-Schalter und dem Lowside-Schalter bildet einen Ausgang der Halbbrückenschaltung, der beispielsweise über einen Transformator an einen Ausgang der Wandlerstufe gekoppelt sein kann, wie weiter unten in Bezug auf 2 beschrieben werden wird.
Die Hochfahrperiode kann sich in einigen Ausführungsformen auf eine Anschaltphase des Leistungswandlers beziehen, beispielsweise nach Verbindung eines Leistungseingangs des Leistungswandlers mit einer Netzversorgung. Das Verfahren kann allerdings auch in einer Hochfahrperiode, d. h. einer „Aufwach-” oder Einschaltperiode, der Wandlerstufe eingesetzt werden, beispielsweise wenn die Wandlerstufe in einem Bereitschafts- bzw. Standby-Modus des Leistungswandlers ausgeschaltet war und anschließend wieder hochgefahren werden soll.
Bei Beginn der ersten Phase kann die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters beispielsweise einer vorbestimmten Start-Einschaltzeit, einem vorbestimmten Tastverhältnis des Ansteuersignals des Highside-Schalters oder einem vorbestimmten Startwert für einen Ausgangsstrom oder eine Ausgangsspannung der Wandlerstufe oder des Leistungswandlers entsprechen. Typischerweise liegt die Start-Einschaltzeit, d. h. die Einschaltzeit zu Beginn der ersten Phase bei 0, beziehungsweise bei einem sehr kleinen Wert, z. B. im Bereich von 10 ns bis 500 ns, vorzugsweise im Bereich von 50 ns bis 100 ns. Der Endwert der Einschaltzeit beim Hochfahren des Leistungswandlers ist abhängig von der Schaltfrequenz des Leistungswandlers, wobei als Richtwert 20% bis 60% des Tastverhältnisses aus dem Normalbetrieb angenommen werden können. Vorzugsweise liegt das Tastverhältnis im Bereich von 30% bis 50% des Tastverhältnisses des Normalbetriebs. Typischerweise ist jedoch der Wert des Tastverhältnisses im Normalbetriebs beim Hochfahren nicht bekannt, so dass in der Regel während der ersten Phase, die vorzugsweise nur ein gesteuerter Betrieb ist, ein relativ niedriger Wert von bis zu einigen Hundert Nanosekunden gewählt wird.
In einigen Ausführungsformen wird die Einschaltzeit des Highside-Schalters in der ersten Phase über zumindest 25 insbesondere zumindest 50 und bevorzugt zumindest 100 Schritte erhöht. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Phase beendet werden, wenn eine vorbestimmte Anzahl von Schritten erreicht wurde, eine vorbestimmte Zeitdauer für die erste Phase erreicht wurde, oder eine Ausgangsgröße, wie beispielsweise ein Ausgangsstrom oder eine Ausgangsspannung der Wandlerstufe oder des Leistungswandlers einen vorbestimmten Endwert oder einen vorbestimmten Bruchteil eines sich dynamisch ändernden Sollwertes erreicht hat.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die erste Phase nach Ablauf von zwischen 10 und 1000 Schritten, insbesondere zwischen 20 und 700 Schritten und bevorzugt zwischen 50 und 500 Schritten beendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Phase nach einer Dauer von zwischen 100 μs und 150 ms, insbesondere zwischen 500 μs und 100 ms und bevorzugt zwischen 5 ms und 50 ms beendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Phase beendet werden, wenn ein Ausgangsstrom oder eine Ausgangsspannung der Wandlerstufe oder des Leistungswandlers einen Bruchteil von zwischen 20% und 75%, insbesondere zwischen 30% und 65% und bevorzugt zwischen 40% und 55% eines Sollausgangsstroms bzw. einer Sollausgangsspannung erreicht.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Anzahl von Schritten in der ersten Phase, eine Dauer der ersten Phase, ein Endwert für zumindest eine Ausgangsgröße der Wandlerstufe oder des Leistungswandlers am Ende der ersten Phase und/oder der Bruchteil eines Sollwertes am Beginn des Verfahrens von außen empfangen werden oder in einem Controller, der zumindest Teile des Verfahrens ausführt, oder einem Speicher gespeichert sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters in der ersten Phase von Puls zu Puls, d. h. in aufeinanderfolgenden Perioden des Ansteuersignals erhöht wird. Die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters kann in der ersten Phase insbesondere monoton erhöht werden. Während es erfindungsgemäß möglich ist, dass die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters während der ersten Phase über zumindest zwei aneinandergrenzende Perioden konstant ist, ist es bevorzugt, dass die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters in der ersten Phase streng monoton zunimmt. Auf diese Weise kann die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters schnell erhöht werden, um den Normalbetrieb schnell zu erreichen, ohne dass es zu einem allzu starken Anstieg des Ausgangsstroms kommt, der Schaltungskomponenten beschädigen könnte. Unter einem Normalbetrieb wird dabei die normale Regelung verstanden, die üblicherweise bei Brückenschaltungen, z. B. Halbbrückenschaltungen, verwendet wird. Dabei kann beispielsweise eine P-(proportional-), eine PI-(proportional-integral-) oder eine PID-Regelung (proportional-integral-derivative-Regelung) eingesetzt werden.
In einigen Ausführungsformen wird die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters in aufeinanderfolgenden Erhöhungsschritten um einen gleichen Betrag oder einen gleichen Faktor erhöht. Im allgemeinen Fall ist jedoch auch ein beliebiger zeitlicher Anstieg möglich, der z. B. einer Funktion oder einer Wertetabelle folgt, die beispielsweise im Speicher des Mikrocontrollers hinterlegt ist.
Es ist bevorzugt, dass das beschriebene Verfahren von einem Controller, insbesondere einem Mikrocontroller, wie beispielsweise einem 8-Bit-Mikrocontroller, durchgeführt wird, welcher einen Betrieb der Wandlerstufe und möglicherweise weiterer Wandlerstufen und/oder Komponenten des Leistungswandlers steuert und/oder regelt. Das Verwenden eines Mikrocontrollers ist vorteilhaft, da Parameter des Verfahrens, wie beispielsweise die Anzahl der Schritte, über welche die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters in der ersten Phase erhöht wird, der Erhöhungsbetrag bzw. Erhöhungsfaktor der Einschaltzeit in jedem Schritt, die Dauer der ersten Phase, etc. flexibel programmiert werden können. Alternativ zu einem Mikrocontroller kann das Verfahren auf einem Digitalsignalprozessor (DSP) oder einem Field Programmable Gate Array (FPGA) oder sonstigen programmierfähigen Bausteinen, z. B. festprogrammierbaren Bausteinen, implementiert sein.
Die erste Phase kann erfindungsgemäß ein oder mehrmals wiederholt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Phase mehrmals durchlaufen, wobei die Steuerung und/oder die Regelung der Brückenschaltung während mindestens zwei Durchläufen der ersten Phase unterschiedlich ist. Insbesondere kann die erste Phase wiederholt nach dem gleichen prinzipiellen Ablauf, jedoch mit verschiedenen Parameter ablaufen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich in mindestens zwei Durchläufen der ersten Phase, insbesondere in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Durchläufen, die Steuerung und/oder die Regelung der Brückenschaltung durch unterschiedlich gewählte Anfangswerte der Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters. Alternativ kann eine unterschiedlich schnelle Erhöhung der Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters implementiert sein, eine andere Periodendauer ausgewählt oder eine Änderung eines anderen bereits erwähnten oder unten beschriebenen Wertes oder Parameters umgesetzt sein. Dabei kann es vorgesehen sein, die erste Phase in einer oder mehreren Varianten unterschiedlicher Parametrisierung über verschieden lange Zeiträume zu wiederholen. Ebenso kann es vorgesehen sein, die erste Phase mit unterschiedlichem prinzipiellen Ablauf ein oder mehrmals zu wiederholen. Beispielsweise können bei einer oder mehreren der unten erwähnten Ausführungsformen ein oder mehrere Durchläufe der ersten Phase vorgesehen sein. So kann zusätzlich oder alternativ zu einer Änderung eines Parameters beispielsweise eine unterschiedliche Periodendauer, unterschiedliche Totzeiten, ein Wechsel zwischen konstanter Periodendauer und sich erhöhender Periodendauer oder eine andere Variation der ersten Phase implementiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Periode des gepulsten Ansteuersignals des ersten Highside-Schalters während mindestens eines Durchlaufs der ersten Phase konstant. Die Periode des gepulsten Ansteuersignals entspricht dabei der Summe aus Einschaltzeit und Ausschaltzeit des ersten Highside-Schalters. Die Summe aus Einschaltzeit und Ausschaltzeit des ersten Highside-Schalters ist gleich der Summe aus Einschaltzeit und Ausschaltzeit des ersten Lowside-Schalters, d. h. erster Highside- und erster Lowside-Schalter werden mit der gleichen Periode betrieben. Dadurch, dass die Periode des gepulsten Ansteuersignals des ersten Highside-Schalters konstant bleibt, bleibt auch die Schaltfrequenz konstant.
Es kann vorgesehen sein, dass die Einschaltzeit des ersten Lowside-Schalters in der ersten Phase konstant ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Totzeiten gleichzeitig verändert werden, um die Periode des gepulsten Ansteuersignals konstant zu halten. Eine konstante Einschaltzeit des ersten Lowside-Schalters in der ersten Phase kann insbesondere bei einer resonanten Halbbrückenschaltung vorteilhaft sein, um ein Zero-Voltage-Switching (ZVS) sicherzustellen.
In einigen Ausführungsformen kann, wenn die Periode des gepulsten Ansteuersignals während der ersten Phase konstant ist, eine erste Totzeit, die zwischen dem Ende einer Einschaltzeit des ersten Lowside-Schalter und einer Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters liegt, schrittweise verringert werden. Energieübertragung vom Eingang der Schaltung über die Brückenschaltung findet prinzipiell nur bei eingeschaltetem erstem Highside-Schalter statt. Desweiteren wird der Stromfluss auf der Primärseite während der ersten Totzeit vollständig verhindert. Während der ersten Totzeit findet also keine Energieübertragung über die Brückenschaltung statt, so dass bei einer relativ langen ersten Totzeit am Anfang der ersten Phase nur ein geringer Ausgangsstrom bereitgestellt wird, um die angeschlossenen Schaltungskomponenten nicht zu beschädigen. Im Verlauf der ersten Phase nimmt der Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsspannung jedoch zu, so dass auch die erste Totzeit reduziert werden kann. Ein Verringerungsbetrag oder ein Verringerungsfaktor der ersten Totzeit in der ersten Phase kann konstant und/oder vorgegeben sein. Alternativ kann eine Schrittweite der Verringerung vorgegeben sein. Die erste Totzeit kann in der ersten Phase beispielsweise monoton, insbesondere streng monoton verringert werden. Dabei wird die Totzeit in der ersten Phase vorzugsweise derart in Abhängigkeit von der Erhöhung der Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters verringert, dass die Periode des Ansteuersignals unverändert bleibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Periode des gepulsten Ansteuersignals des ersten Highside-Schalters während mindestens eines Durchlaufs der ersten Phase variabel.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ausschaltzeit des ersten Highside-Schalters während mindestens eines Durchlaufs der ersten Phase konstant. In dieser Ausführungsform nimmt die Periode des gepulsten Ansteuersignals des ersten Highside-Schalters in der ersten Phase zu, während die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters zunimmt. Somit ändert sich die Schaltfrequenz während der ersten Phase. Die erste und die zweite Totzeit, wie sie unten näher definiert ist, können in dieser Ausführungsform konstant sein.
In einigen Ausführungsformen geht das Verfahren nach Beendigung der ersten Phase dazu über, die Brückenschaltung in einem Normalbetrieb zu regeln, d. h. das Verfahren geht von einer Steuerung, wie sie oben beschrieben ist, zu einer Regelung über, wie sie beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt sein kann. Es ist allerdings bevorzugt, dass auf die erste Phase noch eine zweite Phase folgt, wie sie unten beschrieben ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Brückenschaltung in mindestens einem Durchlauf, insbesondere einem letzten Durchlauf, der ersten Phase derart gesteuert, dass die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters schrittweise erhöht wird und die Ausschaltzeit des ersten Highside-Schalters konstant ist. In dieser Ausführungsform nimmt die Periodendauer des Ansteuersignals in dem Durchlauf der ersten Phase zu, so dass die Schaltfrequenz kleiner wird.
Während des Durchlaufs der ersten Phase kann die erste Totzeit, welche zwischen einer Einschaltzeit des ersten Lowside-Schalters und einer Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters vergeht, konstant sein. Darüber hinaus kann eine zweite Totzeit, die zwischen einer Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters und einer Einschaltzeit des ersten Lowside-Schalters vergeht, ebenfalls konstant sein. Die erste Totzeit und die zweite Totzeit während des Durchlaufs können einstellbar oder vorbestimmt sein.
Die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters kann in einigen Ausführungsformen in dem Durchlauf der ersten Phase monoton, insbesondere streng monoton über aufeinander folgende Perioden des Ansteuersignals des ersten Highside-Schalters zunehmen. Ein Erhöhungsbetrag oder ein Erhöhungsfaktor der Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters in jedem Erhöhungsschritt kann vorgegeben sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein zeitlicher Abstand der schrittweisen Erhöhung vorgegeben sein.
In einigen Ausführungsformen ist die Dauer der eines Durchlaufs der ersten Phase oder eine Anzahl von Perioden des Ansteuersignals oder Erhöhungsschritten in einem Durchlauf der ersten Phase vorbestimmt. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Durchlauf nach Ablauf von zwischen 10 und 1000 Schritten, insbesondere zwischen 20 und 700 Schritten und bevorzugt zwischen 50 und 500 Schritten beendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Durchlauf nach einer Dauer von zwischen 100 μs und 50 ms, insbesondere zwischen 500 μs und 10 ms und bevorzugt zwischen 1 ms und 5 ms beendet werden.
Es ist jedoch bevorzugt, dass die erste Phase oder eine Wiederholung der ersten Phase beendet wird, wenn eine Ausgangsgröße, wie z. B. eine Ausgangsspannung oder ein Ausgangsstrom, der Brückenschaltung, der Wandlerstufe oder des Leistungswandlers einen vorbestimmten Wert oder einen vorbestimmten Bruchteil einer sich dynamisch ändernden Sollausgangsgröße erreicht. Der vorbestimmte Bruchteil kann insbesondere ein vorgegebener Bruchteil der Soll-Ausgangsspannung oder des Soll-Ausgangsstroms der Wandlerstufe in einem Normalbetrieb sein. Der vorgegebene Bruchteil kann beispielsweise zwischen 50% und 90%, insbesondere zwischen 60% und 85% und bevorzugt zwischen 70% und 80% betragen.
In Ausführungsformen, in denen der elektrische Leistungswandler zur Versorgung einer Lichtquelle, wie beispielsweise einer LED-Anordnung verwendet wird, ist es besonders bevorzugt, dass die erste Phase beendet wird, wenn ein Ausgangsstrom der Wandlerstufe einen vorbestimmten Bruchteil, wie beispielsweise 75%, des Soll-Ausgangsstroms beträgt. Der Soll-Ausgangsstrom gibt dabei ein Dimming-Niveau für die LED-Anordnung an.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner eine zweite Phase, in welcher die Brückenschaltung mit einem Sollwert für eine Ausgangsgröße geregelt wird, wobei der Sollwert während der zweiten Phase von einem Start-Sollwert auf einen End-Sollwert geändert wird.
Die zweite Phase kann auf die erste Phase folgen und sich beispielsweise unmittelbar an die erste Phase anschließen. Bei einem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase findet ein Übergang von einem gesteuerten zu einem geregelten Betrieb statt. Allerdings wird die Regelung noch nicht gleich auf der Basis einer aktuellen Soll-Ausgangsgröße durchgeführt, wie dies im Normalbetrieb der Fall wäre. Vielmehr wird bei Beginn der zweiten Phase zunächst ein Start-Sollwert verwendet, um einen sanften Übergang in die zweite Phase zu ermöglichen.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Einschaltzeit des ersten Lowside-Schalters sowie die erste und die zweite Totzeit in der zweiten Phase konstant sind. Die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters wird in diesen Ausführungsformen in der zweiten Phase basierend auf dem Soll-Wert und einem aktuellen Wert der Ausgangsgröße geregelt. Um jedoch die Ausgangsgröße weiterhin langsam zu erhöhen, wird der Soll-Wert der Regelung nur langsam, beispielsweise schrittweise, geändert. Dadurch kann ein Sprung in der Ausgangsgröße bzw. eine sprungartige Erhöhung der Ströme in der Schaltung vermieden werden.
Der Sollwert kann beispielsweise schrittweise geändert werden. Der Start-Sollwert, der End-Sollwert, eine Änderungsgeschwindigkeit des Sollwerts, eine Schrittweite der Änderung des Sollwerts und/ein Änderungsbetrag oder Änderungsfaktor des Sollwerts in jedem Änderungsschritt kann vorgegeben sein, und beispielsweise in einem Mikrocontroller oder einem Speicher programmiert sein.
Die Ausgangsgröße kann beispielsweise eine Ausgangsgröße der Brückenschaltung, der Wandlerstufe oder des Leistungswandlers sein. Die Ausgangsgröße kann in einigen. Ausführungsformen eine Ausgangsspannung oder ein Ausgangsstrom sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ausgangsgröße ein Ausgangsstrom oder eine Ausgangsspannung der Wandlerstufe.
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht der Start-Sollwert einem Wert der Ausgangsgröße bei Beginn der zweiten Phase. Auf diese Weise wird eine sprungartige Änderung der Ausgangsgröße unmittelbar nach Beginn der zweiten Phase vermieden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Start-Sollwert kleiner als der End-Sollwert. Auf diese Weise wird ein Überschwingen der Ausgangsgröße vermieden.
In einigen Ausführungsformen wird die zweite Phase beendet, wenn die Ausgangsgröße eine Referenz-Ausgangsgröße bzw. einen Bruchteil davon erreicht. Beispielsweise kann die zweite Phase beendet werden, wenn die Ausgangsspannung der Wandlerstufe oder des elektrischen Leistungswandlers eine Referenz-Ausgangsspannung erreicht. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Phase beendet werden, wenn der Ausgangsstrom der Wandlerstufe oder des elektrischen Leistungswandlers einen Referenz-Ausgangsstrom erreicht. Die Referenz-Ausgangsspannung oder der Referenz-Ausgangsstrom können den jeweils im Normalbetrieb vorgesehenen Werten entsprechen. In Ausführungsformen, in denen der Leistungswandler an eine Lichtquelle gekoppelt ist, kann die zweite Phase beispielsweise beendet werden, wenn der Ausgangsstrom des Leistungswandlers den aufgrund eines vorgegebenen Dimming-Signals bestimmten Soll-Ausgangsstrom erreicht.
In einigen Ausführungsformen folgt auf die erste oder zweite Phase eine Normalbetriebsphase, in welcher die Brückenschaltung ausgehend von einer Referenz-Ausgangsgröße geregelt wird. Wie oben beschrieben wurde, kann die Referenz-Ausgangsgröße beispielsweise ein Referenz-Ausgangsstrom oder eine Referenz-Ausgangsspannung sein. Die Referenz-Ausgangsgröße kann beispielsweise in einem Controller, der das Verfahren ausführt, gespeichert sein, oder aufgrund eines empfangenen Dimming-Signals ermittelt werden. Bei Beginn der Normalbetriebsphase ist die Hochfahrperiode der Wandlerstufe i. d. R. beendet.
Die Einschaltzeit des ersten Lowside-Schalters kann während der ersten und/oder der zweiten Phase konstant sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einschaltzeit des ersten Lowside-Schalters während des Verfahrens konstant. Hierdurch kann beispielsweise bei einer resonanten Halbbrückenschaltung sichergestellt werden, dass ein Zero-Voltage-Switching erreicht wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Einschaltzeit des ersten Highside-Schalters, die Einschaltzeit des ersten Lowside-Schalters, die erste Totzeit, die zweite Totzeit und/oder die Periode des Ansteuersignals für den ersten Highside-Schalter bei einem Übergang von der ersten in die zweite Phase nicht geändert werden.
In einem weiteren Aspekt wird ein elektrischer Leistungswandler mit zumindest einer Wandlerstufe, die eine Brückenschaltung, insbesondere eine Halbbrückenschaltung, mit mindestens einem Highside-Schalter und mindestens einem Lowside-Schalter aufweist, und einem Controller, der an die zumindest eine Wandlerstufe gekoppelt ist, bereitgestellt. Ein Ausgang der zumindest einen Wandlerstufe ist zum Bereitstellen einer Ausgangsleistung an einen Ausgang des elektrischen Leistungswandlers gekoppelt. Der Controller ist dazu eingerichtet, die Brückenschaltung während einer Hochfahrperiode der zumindest einen Wandlerstufe gemäß dem hier beschriebenen Verfahren zu betreiben.
Der Controller kann beispielsweise ein Digitalcontroller, insbesondere in Mikrocontroller, ein DSP oder ein FPGA sein. Hierdurch ist eine einfache und flexible Programmierung des implementierten Verfahrens möglich. Beispielsweise können einige Parameter des Verfahrens, wie beispielsweise ein Dauer der ersten und/oder zweiten Phase, ein Erhöhungsbetrag, ein Erhöhungsfaktor, ein Änderungsbetrag, ein Änderungsfaktor, eine Schrittweite, oder Referenzwerte etc. flexibel geändert werden. Prinzipiell ist es aber ebenso möglich, das Verfahren mittels anderer frei- oder festprogrammierbarer, elektronischer Bausteine zu implementieren.
Der mindestens eine Highside-Schalter und/oder der mindestens eine Lowside-Schalter der Brückenschaltung kann in einigen Ausführungsformen einen Transistor, beispielsweise einen MOSFET umfassen. Insbesondere kann der Highside-Schalter und/oder der Lowside-Schalter einen Hochvolttransistor, wie beispielsweise einen Hochvolt-MOSFET oder einen Niedrigvolttransistor, wie beispielsweise einen Niedrigvolt-MOSFET, etc. umfassen.
Zum Betreiben der Brückenschaltung kann ein Steuerausgang des Controllers jeweils an einen Steuereingang des Highside-Schalters und des Lowside-Schalters gekoppelt sein. In Ausführungsformen, in welchen der Highside-Schalter und/oder der Lowside-Schalter ein MOSFET ist, ist der Steuerausgang beispielsweise mit dessen Gate gekoppelt. In Ausführungsformen, in welchen der Highside-Schalter und/oder der Lowside-Schalter eine Bipolarvorrichtung, wie beispielsweise einen Bipolartransistor umfasst, kann der Steuerausgang des Controllers jeweils an eine Basis des Highside-Schalters und des Lowside-Schalters gekoppelt sein.
Während der elektrische Leistungswandler zumindest eine Wandlerstufe aufweist, kann er zusätzlich zumindest eine weitere Wandlerstufe aufweisen, die vor oder nach der zumindest einen Wandlerstufe vorgesehen sein kann. In einigen Ausführungsformen umfasst der elektrische Leistungswandler einen Leistungseingang, der mit einem Leistungseingang der zumindest einen Wandlerstufe gekoppelt ist. Beispielsweise kann der Leistungseingang des elektrischen Leistungswandlers mit dem Leistungseingang der zumindest einen Wandlerstufe verbunden sein. Alternativ kann zwischen den Leistungseingang des elektrischen Leistungswandlers und den Leistungseingang der zumindest einen Wandlerstufe eine weitere Schaltung, wie beispielsweise eine weitere Wandlerstufe, eine Gleichrichterschaltung, eine PFC-Schaltung o. ä. gekoppelt sein. Die weitere Wandlerstufe zwischen dem Leistungseingang des Leistungswandlers und der zumindest einen Wandlerstufe kann beispielsweise eine AC/DC-Wandlerstufe oder eine DC/DC-Wandlerstufe sein.
In einigen Ausführungsformen umfasst der elektrische Leistungswandler ferner eine weitere Wandlerstufe, die zwischen den Ausgang der zumindest einen Wandlerstufe und den Leistungsausgang des elektrischen Leistungswandlers gekoppelt ist. Die weitere Wandlerstufe kann eine DC/AC-Wandlerstufe und/oder eine DC/DC-Wandlerstufe umfassen.
Die zumindest eine Wandlerstufe des Leistungswandlers kann eine DC/AC-Wandlerstufe sein. Es ist jedoch bevorzugt, dass die zumindest eine Wandlerstufe eine DC/DC-Wandlerstufe ist. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der elektrische Leistungswandler ferner eine AC/DC-Wandlerstufe umfasst, welche zwischen einen Leistungseingang des elektrischen Leistungswandlers und einen Leistungseingang der zumindest einen Wandlerstufe gekoppelt ist.
Es ist besonders bevorzugt, dass die zumindest eine Wandlerstufe eine resonante Halbbrückenschaltung oder Vollbrückenschaltung umfasst. Die zumindest eine Wandlerstufe kann beispielsweise eine Cuk-Buck-Boost-Wandlerstufe, eine asymmetrische Halb- oder Vollbrückenschaltung, eine LLC-Wandlerstufe oder eine LCC-Wandlerstufe umfassen. Auf diese Weise kann eine effiziente Wandlung der elektrischen Leistung erreicht werden. Im Ausführungsbeispiel mit einer Vollbrückenschaltung wird die Ansteuerung völlig analog zur Halbbrückenschaltung betrieben. Das Einschaltsignal des Highside-Schalters der Halbbrückenschaltung entspricht dann zum Beispiel gleichzeitigen Einschaltsignalen für einen Highside- und einen Lowside-Schalter der Vollbrücke. Ist dagegen der Lowside-Schalter der Halbbrücke eingeschaltet, entspricht dies bei der Vollbrücke einem Einschalten des anderen Highside- und des anderen Lowside-Schalters. Dabei umfasst eine Vollbrückenschaltung zwei Halbbrückenschaltungen, von denen eine oder beide gemäß dem hier beschriebenen Verfahren von einem oder zwei Controller betrieben werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die zumindest eine Wandlerstufe einen Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite zur galvanischen Trennung zwischen der Brückenschaltung und dem Ausgang der Wandlerstufe, wobei die Brückenschaltung an die Primärseite des Transformators gekoppelt ist und der Ausgang der zumindest einen Wandlerstufe an die Sekundärseite des Transformators gekoppelt ist. Durch die galvanische Trennung zwischen der Brückenschaltung und dem Ausgang der Wandlerstufe, der an den Leistungsausgang des elektrischen Leistungswandlers gekoppelt ist, wird die Betriebssicherheit erhöht. Insbesondere werden unerwünschte Signalüberleitungen, Kurzschlüsse, etc. vermieden. Eine konkrete Ausführungsform eines elektrischen Leistungswandlers der beschriebenen Art mit einem Transformator ist unten mit Hinblick auf 2 beschrieben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Controller dazu eingerichtet, die Brückenschaltung in einer zweiten Phase zu betreiben, wie sie oben beschrieben wurde, wobei der Leistungswandler einen Rückkopplungseingang des Controllers zum Erfassen der Ausgangsgröße umfasst.
Der Rückkopplungseingang des Controllers kann beispielsweise an die Primärseite der zumindest einen Wandlerstufe gekoppelt sein. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, eine Signalleitung zwischen dem Controller und der Sekundärseite der Wandlerstufe vorzusehen. Somit wird die Betriebssicherheit weiter erhöht. In anderen Ausführungsformen kann jedoch zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass ein Rückkopplungseingang des Controllers zum Erfassen der Ausgangsgröße, beispielsweise über einen Optokoppler oder Transformatorwicklungen, an die Sekundärseite der zumindest einen Wandlerstufe gekoppelt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Controller dazu eingerichtet, während der ersten und/oder während der zweiten Phase ein Anlaufen des Leistungswandlers zu stoppen, falls ein Fehler detektiert wurde. Beispielsweise kann auf diesem Weg eine Schutzfunktion gegen Überspannung oder Kurzschluss implementiert werden. Somit kann der Leistungswandler gegen Beschädigung oder Zerstörung geschützt werden und/oder es können weitere Sicherheitskriterien eingehalten werden, indem im Falle eines Fehlers ein vorzeitiges Abbrechen des sanften Anlaufs, unabhängig von den Bedingungen zum Erreichen des Normalbetriebes, implementiert wird.
In einem weiteren Aspekt wird ein Beleuchtungssystem mit einem elektrischen Leistungswandler der beschriebenen Art und zumindest einer elektrischen Lichtquelle bereitgestellt, die an den Ausgang des elektrischen Leistungswandlers gekoppelt ist. Die zumindest eine elektrische Lichtquelle kann beispielsweise eine oder mehrere LED und/oder organische lichtemittierende Vorrichtungen, in Fachkreisen Organic Light Emitting Devices (OLED) genannt, umfassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt
1 ein Blockdiagramm eines Leistungswandlers gemäß einer Ausführungsform,
2 eine Schaltskizze einer Wandlerstufe mit einer Halbbrückenschaltung, die gemäß dem Verfahren nach einigen Ausführungsform betrieben werden kann,
3 eine Schaltskizze einer Wandlerstufe mit einer Vollbrückenschaltung, die gemäß dem Verfahren nach einigen Ausführungsform betrieben werden kann,
4a zeitliche Verläufe der Ansteuersignale für den Highside-Schalter zum Schalten der Brückenschalter der Wandlerstufe der 2,
4b zeitliche Verläufe der Ansteuersignale für die Highside-Schalter und die Lowside-Schalter zum Schalten der Brückenschalter der Wandlerstufe der 3,
5 zeitliche Verläufe der Ansteuersignale für den Highside-Schalter und den Lowside-Schalter der Wandlerstufe der 2 nach Beginn der ersten Phase und
6 zeitliche Verläufe der Ansteuersignale des Highside-Schalters und des Lowside-Schalters der Wandlerstufe der 2 zu einem späteren Zeitpunkt in der ersten Phase.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Leistungswandlers 8 gemäß einer Ausführungsform, mit zwei Wandlerstufen 1, 2. Jede der Wandlerstufen 1, 2 kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brückenschaltung betrieben werden, insbesondere um einen Softstart der Leistungswandlerstufe durchzuführen. Der Leistungswandler 8 umfasst im Beispiel der 1 eine erste Wandlerstufe 1 sowie eine zweite Wandlerstufe 2. Ein Eingang 6 des Leistungswandlers ist an einen Eingang der ersten Wandlerstufe 1 gekoppelt. Die erste Wandlerstufe 1 kann beispielsweise eine AC/DC-Wandlerstufe (z. B. PFC-Stufe) umfassen. Ein Ausgang 11 der ersten Wandlerstufe 1 ist an einen Eingang der zweiten Wandlerstufe 2 gekoppelt. Die zweite Wandlerstufe 2 kann insbesondere eine resonante Halb- oder Vollbrückenschaltung umfassen. Die zweite Wandlerstufe 2 weist einen Ausgang auf, der an den Ausgang 7 des Leistungswandlers 8 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen bildet der Ausgang der zweiten Wandlerstufe 2 den Ausgang 7 des Leistungswandlers 8.
An den Ausgang 7 des Leistungswandlers 8 kann eine elektrische Nutzvorrichtung, wie beispielsweise eine elektrische Lichtquelle 9, wie sie in 1 dargestellt ist, angeschlossen werden. Die elektrische Lichtquelle kann beispielsweise eine oder mehrere LED und/oder OLED umfassen. Die Erfindung ist allerdings nicht auf die Versorgung elektrischer Lichtquellen eingeschränkt. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Leistungswandler 8 alternativ oder zusätzlich zur Versorgung anderer elektrischer Nutzvorrichtungen, wie beispielsweise Computern, Unterhaltungselektronik, etc. verwendet werden.
Darüber hinaus umfasst der Leistungswandler 8 eine Hilfsleistungsquelle 3, die über einen Hilfsleistungsausgang 21 der zweiten Wandlerstufe 2 mit elektrischer Energie versorgt wird. Ein Ausgang 31 der Hilfsleistungsquelle 3 ist an einen Controller 4, beispielsweise einen Digitalcontroller, gekoppelt, um den Controller 4 mit elektrischer Leistung zu versorgen. Im laufenden Betrieb wird der Digitalcontroller 4 somit von der zweiten Wandlerstufe 2 über die Hilfsleistungsquelle 3 mit elektrischer Leistung versorgt. Der Controller 4 dient dazu, den Betrieb der ersten Wandlerstufe 1 und der zweiten Wandlerstufe 2 des Leistungswandlers 8 zu regeln und/oder zu steuern. Optional kann die Hilfsleistungsquelle 3 mit einem zweiten Ausgang 22 zur elektrischen Versorgung der zweiten Wandlerstufe 2 ausgestattet sein, der in manchen Anwendungen und/oder Betriebsmodi zu einer höheren Flexibilität oder Effizienz der Schaltung führen kann. Außerdem ist auf dem Controller das hier beschriebene Verfahren zum sanften Schaltungsanlauf implementiert. Hierzu ist der Controller 4 mit der ersten Wandlerstufe 1 und der zweiten Wandlerstufe 2 über mehrere Signalleitungen gekoppelt, die schematisch als Pfeile in 1 eingezeichnet sind. Die Signalleitungen werden verwendet, um Signale von dem Controller 4 zu den Wandlerstufen 1, 2 zu führen, wie beispielsweise Gate-Signale für Transistoren der Wandlerstufen 1, 2, und um erfasste Signale aus den Wandlerstufen 1, 2 an den Controller 4 zurück zu koppeln, wie unten näher beschrieben ist.
Nach einem Einschalten des Leistungswandlers 8 wird in der Regel zunächst die erste Wandlerstufe 1 in Betrieb genommen und, wenn die an dem Ausgang 11 der ersten Wandlerstufe 1 bereitgestellte Leistung zum Betrieb der zweiten Wandlerstufe 2 ausreicht, anschließend die zweite Wandlerstufe 2 gestartet. Die Inbetriebnahme beider Schaltungsteile kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen. Um auch während dieser Einschaltphase des Leistungswandlers 8 einen ordnungsgemäßen Betrieb der ersten Wandlerstufe 1 und der zweiten Wandlerstufe 2 zu gewährleisten, umfasst der Leistungswandler 8 ferner eine Startzelle 5. Die Startzelle 5 wird unmittelbar über den Eingang 6 des Leistungswandlers 8 mit elektrischer Leistung versorgt. Ein Ausgang 51 der Startzelle 5 ist an die Hilfsleistungsquelle 3 gekoppelt, um die Hilfsleistungsquelle 3 während einer Einschaltphase mit elektrischer Leistung zu versorgen. Die der Hilfsleistungsquelle 3 von der Startzelle 5 bereitgestellte Leistung reicht dabei aus, um den Controller 4 zu betreiben. Der Controller 4, der über die Hilfsleistungsquelle 3 und die Startzelle 5 mit elektrischer Leistung versorgt wird, ist somit relativ früh während der Einschaltphase des Leistungswandlers 8 dazu in der Lage, den Betrieb der ersten und zweiten Wandlerstufe 1, 2 zu starten bzw. zu regeln.
2 zeigt eine resonante Halbbrückenschaltung, die als Wandlerstufe eines elektrischen Leistungswandlers 8 in zumindest einer Ausführungsform verwendet wird. Insbesondere kann die Wandlerstufe als die erste 1 und/oder die zweite 2 Wandlerstufe der 1 verwendet werden. Die Wandlerstufe der 2 umfasst eine Halbbrückenschaltung mit einem Highside-Schalter Q1 und einem Lowside-Schalter Q2. Der Highside-Schalter Q1 und der Lowside-Schalter Q2 sind in Serie zwischen einen Leistungseingang V(V_in) der Wandlerstufe und Masse geschaltet. Ein zwischen dem Highside-Schalter Q1 und dem Lowside-Schalter Q2 gebildeter Schaltungsknoten ist über einen Kondensator Cr1 und eine Induktivität Lr an eine Primärseite P eines Transformators T gekoppelt. Der Ausgangsstrom der Halbbrückenschaltung, der der Primärseite P des Transformators T zugeführt wird, ist in der 2 als I_res bezeichnet. Für den Fall, dass die Eingangsspannung am Eingang 6 des Leistungswandlers 8 durch eine Wechselspannung gegeben ist und die erfindungsgemäße Leistungswandlerstufe als erste Wandlerstufe 1 der 1 verwendet werden soll, kann der in der 2 gezeigten resonanten Halbbrückenschaltung ein Gleichrichter, beispielsweise eine Gleichrichterbrücke, vorgeschalten werden. Gleiches gilt für die in der 3 gezeigte Vollbrückenschaltung.
Eine Sekundärseite des Transformators, welche mit der Primärseite P magnetisch über einen Kern des Transformators T gekoppelt ist, ist über einen Kondensator Cr2 und eine Induktivität Lchk an einen Ausgang der Wandlerstufe koppelt, an welchem eine Ausgangsspannung V_out und ein Ausgangsstrom I_out ausgegeben werden. Der Ausgang der Wandlerstufe der 2 kann gleichzeitig den Ausgang des Leistungswandlers 8 bilden, ohne dass weitere Schaltungsbestandteile folgen. Beispielsweise kann der Ausgang der Wandlerstufe an eine elektrische Lichtquelle (nicht gezeigt) gekoppelt sein, wie sie oben beschrieben wurde, um die Lichtquelle mit der Ausgangsspannung V_out und dem Ausgangsstrom I_out zu versorgen.
Die Wandlerstufe der 2 umfasst ferner einen Ausgangskondensator Cout, der zwischen den Ausgang der Wandlerstufe und sekundärseitige Masse gekoppelt ist. Darüber hinaus ist ein weiterer Schalter Q3 zwischen der sekundärseitigen Masse und dem Schaltungsknoten zwischen dem Kondensator Cr2 und der Induktivität Lchk vorgesehen.
Bei der in 2 dargestellten resonanten Halbbrückenschaltung ergibt sich das Problem, dass direkt nach einem Einschalten der Wandlerstufe noch kein Strom durch die Transformatorwicklungen fließt. Um dennoch schnellstmöglich eine Ausgangsspannung V_out bzw. einen Ausgangsstrom I_out bereitzustellen, die der Soll-Ausgansspannung bzw. dem Soll-Ausgangsstrom entspricht, wird bei herkömmlichen Ansteuerverfahren für eine resonante Halbbrückenschaltung die Einschaltzeit des Highside-Schalters Q1 schon am Anfang relativ lang sein, so dass sich abrupt ein relativ hoher Strom an der primärseitigen Wicklung P des Transformators T einstellt. Dieser Strom wird durch die im Kreis vorhandene Induktivität nicht ausreichend begrenzt. Durch diesen abrupt einsetzenden Stromfluss können allerdings der Transformator T sowie weitere angeschlossene Schaltungskomponenten beschädigt werden. Erfindungsgemäß ist daher ein anderes Verfahren vorgesehen, um beispielsweise die aus dem Highside-Schalter Q1 und dem Lowside-Schalter Q2 bestehende Halbbrückenschaltung der Wandlerstufe der 2 zu betreiben. In einer bevorzugten Ausführungsform des Leistungswandlers 8 ist die Wandlerstufe 2 der 1 durch die in der 2 gezeigte resonante Halbbrückenschaltung gegeben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Leistungswandlers 8 ist die Wandlerstufe 2 der 1 durch die in 3 gezeigte Vollbrückenschaltung gegeben, die nun zwei Highside-Schalter VQ1, VQ3 und zwei Lowside-Schalter VQ1, VQ4 aufweist. Im Unterschied zur Halbbrückenschaltung der 2 sind nun jeweils ein Highside- und ein Lowside-Schalter gleichzeitig eingeschaltet. Im Beispiel der 3 sind entweder der Highside-Schalter VQ1 und der Lowside-Schalter VQ4 eingeschaltet oder es sind der Highside-Schalter VQ3 und der Lowside-Schalter VQ2 eingeschaltet. Die Ansteuersignale für die jeweils als Paar geschalteten Schalter sind daher analog zur Halbbrückenschaltung.
Die 4a und 4b illustrieren die Analogie in der Ansteuerung der Brückenschalter für die in den 2 und 3 gezeigten Brückenschaltungen, wobei die Ansteuersignale schematisch, ohne eventuell auftretende Totzeiten, gezeigt sind. Im Falle einer Halbbrückenschaltung (4a) werden abwechselnd der Highside-Schalter Q1 und der Lowside-Schalter Q2 eingeschalten (siehe 2). Bei der Vollbrückenschaltung (4b) werden immer ein Highside-Schalter und ein Lowside-Schalter gleichzeitig ein- und ausgeschalten (siehe 3). 4b zeigt eine Folge von Einschaltzeiten für den Highside-Schalter VQ1, der gleichzeitig mit dem Lowside-Schalter VQ4 geschaltet wird, und eine Folge von Einschaltzeiten für den Highside-Schalter VQ2, der gleichzeitig mit dem Lowside-Schalter VQ3 geschaltet wird. Die Ansteuersignale sind daher analog zur Halbbrückenschaltung.
5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung V_out und des Ausgangsstroms I_out der Wandlerstufe der 2 gemäß einer Ausführungsform, bei der eine LED-Anordnung an den Ausgang der Wandlerstufe gekoppelt ist. Wie in 5 ersichtlich ist, nimmt die Ausgangsspannung V_out nicht abrupt zu, sondern wird, von null beginnend, im Beispiel in drei Phasen (Phase 1₁, Phase 1₂ und Phase 2) in eine Ausgangsspannung V_Soll im Normalbetrieb überführt, die der Soll-Ausgangsspannung bei normaler Regelung entspricht. Die Phase 1 wird im Beispiel also zweimal durchlaufen, wobei sich die beiden Durchläufe (Phase 1₁, Phase 1₂) der ersten Phase in der Steuerung, bzw. der Regelung der Brückenschalter unterscheiden. Dadurch, dass die für den Betrieb der LED-Anordnung erforderliche Schwellspannung erst in der Phase 1₂ erreicht wird, fließt erst ab diesem Zeitpunkt ein Ausgangsstrom, der bis zum Ende der Phase 2 auf seinen Wert I_Soll im Normalbetrieb ansteigt. In anderen Beispielen kann die erste Phase auch N-fach durchlaufen werden, wobei N eine ganze, positive Zahl (N = 1, 2, 3, ...) ist, so dass bis zum Normalbetrieb N + 1 Phasen durchlaufen werden: Phase 1₁, Phase 1₂, ..., Phase 1_N, Phase 2. Alternativ hierzu kann der Betrieb nach dem N-ten Durchlaufen der ersten Phase in einen Normalbetrieb übergehen, d. h. ohne die Phase 2.
6 und 7 zeigen die Ansteuersignale für den Highside-Schalter Q1 und den Lowside-Schalter Q2 der 2 bei einer Ansteuerung der Halbbrückenschaltung gemäß dem Verfahren nach einer Ausführungsform in verschiedenen Zeitabschnitten. Der Highside-Schalter Q1 und der Lowside-Schalter Q2 werden jeweils mit einem gepulsten Ansteuersignal angesteuert. Die Periodendauern der Ansteuersignale für Q1 und Q2 sind gleich. Somit ist die Summe aus Einschaltzeit TQ1 und Ausschaltzeit für den Highside-Schalter Q1 und den Lowside-Schalter Q2 ebenfalls gleich.
Um einen Kurzschluss zu vermeiden, dürfen der Highside-Schalter Q1 und der Lowside-Schalter Q2 nicht gleichzeitig eingeschaltet sein. Vielmehr muss der Lowside-Schalter Q2 ausgeschaltet werden, bevor der Highside-Schalter Q1 eingeschaltet wird. Wie aus der 6 ersichtlich ist, wird der Highside-Schalter Q1 dabei nicht unmittelbar eingeschaltet, nachdem der Lowside-Schalter Q2 ausgeschaltet wurde. Vielmehr ist eine erste Totzeit TD1 vorgesehen, welche zwischen der Einschaltzeit TQ2 des Lowside-Schalters Q2 und der darauf folgenden Einschaltzeit TQ1 des Highside-Schalters Q1 vergeht. Auf ähnliche Weise ist zwischen einer Einschaltzeit TQ1 des Highside-Schalters Q1 und einer darauf folgenden Einschaltzeit TQ2 des Lowside-Schalters Q2 eine zweite Totzeit TD2 vorgesehen. Während der ersten Totzeit TD1 und der zweiten Totzeit TD2 sind beide Schalter Q1, Q2 ausgeschaltet.
6 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Ansteuersignale für Q1 und Q2 im Verlauf der ersten Phase des Verfahrens, während 7 auf ähnliche Weise einen zeitlichen Verlauf der Ansteuersignale für den Highside-Schalter Q1 und den Lowside-Schalter Q2 gegen Ende der ersten Phase des Verfahrens zeigt. Die 6 und 7 sind dabei im gleichen Zeitmaßstab dargestellt. Aus einem Vergleich der 6 und 7 ergibt sich, dass die Einschaltzeit TQ1 des Highside-Schalters Q1 im Verlauf der ersten Phase erhöht wird, wie in der 6 durch den Pfeil ΔTQ1 angedeutet. Gleichzeitig wird die erste Totzeit TD1 während der ersten Phase verringert. Die Einschaltzeit TQ2 des Lowside-Schalters Q2 und die zweite Totzeit TD2 sind bei Verwendung des Verfahrens gemäß dieser Ausführungsform in der ersten Phase konstant.
Somit ergibt sich, dass auch die Ausschaltzeit des Lowside-Schalters Q2 in der ersten Phase konstant ist. Die Ausschaltzeit des Highside-Schalters Q1 nimmt jedoch in der ersten Phase ab.
Durch die Zunahme der Einschaltzeit TQ1 des Highside-Schalters Q1 über mehrere Perioden des Ansteuersignals wird eine allzu schnelle Zunahme des Ausgangsstroms I_res der Halbbrückenschaltung der 2, welcher der Primärseite P des Transformators T zugeführt wird, vermieden. Hierdurch werden Beschädigungen an angeschlossenen Schaltungskomponenten verhindert.
In einigen Ausführungsformen kann die Einschaltzeit TQ1 des Highside-Schalters Q1 in der ersten Phase streng monoton erhöht werden. Bei einem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase kann ein Controller (nicht gezeigt), der die Wandlerstufe der 2 betreibt und an die Gates der Schalter Q1, Q2 gekoppelt ist, von einer Steuerung zu einer Regelung übergehen. Dabei wird am Beginn der zweiten Phase ein Sollwert für eine Ausgangsgröße der Halbbrückenschaltung oder der Wandlerstufe der 2 verwendet, der geringer als ein Referenzsollwert im Normalbetrieb ist, der beispielsweise durch ein anliegendes Dimming-Signal ermittelt wird. Hierdurch wird ein allzu schnelles Ansteigen der Ausgangsgröße in der zweiten Phase verhindert. Die Ausganggröße, die der Controller bei der Regelung verwendet, kann beispielsweise der Ausgangsstrom I_out oder die Ausgangsspannung V_out der Wandlerstufe der 2 oder der Ausgangsstrom I_res der Halbbrückenschaltung sein.
Es ist besonders bevorzugt, dass der Controller den Ausgangsstrom I_res der Brückenschaltung als Rückkopplungsgröße für die Regelung erfasst. Auf diese Weise ist keine Rückkopplung über die galvanische Trennung des Transformators T hinweg erforderlich, wodurch die Betriebssicherheit erhöht wird.
Weitere Modifikationen, Ergänzungen und Weglassungen sind möglich. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass das Verfahren von der ersten Phase direkt in einen Normalbetrieb mit einer Regelung auf einen Referenz-Sollwert übergeht. In einigen Ausführungsformen wird die erste Phase nur einmal oder alternativ mindestens zweimal durchlaufen.
Während in den 6 und 7 die Einschaltzeit TQ2 des Lowside-Schalter Q2 als konstant dargestellt ist, kann in alternativen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass auch die Einschaltzeit TQ2 des Lowside-Schalters Q2 während der ersten Phase und/oder der zweiten Phase verändert wird.
Auch wenn die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen mit einer Halb- bzw. einer Vollbrückenschaltung illustriert wurde, sollte verstanden werden, dass andere Wandlertopologien möglich sind. Beispielsweise ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer anderen Wandlertopologie mit einem Regelkreis möglich.
In einigen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der elektrische Leistungswandler 8 zur Versorgung einer elektrischen Lichtquelle, die beispielsweise eine oder mehrere LED und/oder OLED aufweisen kann, verwendet wird.
Bezugszeichenliste

1: erste Wandlerstufe
2: zweite Wandlerstufe
3: Hilfsleistungsquelle
4: Controller
5: Startzelle
6: Eingang des Leistungswandlers
7: Ausgang des Leistungswandlers
8: Leistungswandler
9: LED-Anordnung
11: Ausgang der ersten Wandlerstufe
21: Hilfsleistungsausgang
22: Zweiter Ausgang der Hilfsleistungsquelle
31: Ausgang der Hilfsleistungsquelle
51: Ausgang der Startzelle
Cr1, Cr2: Kondensatoren
Lr, Lchk: Spulen
Q1: Highside-Schalter
Q2: Lowside-Schalter
Q3: Schalter
I_out: Ausgangsstrom
I_res: Ausgangsstrom
V_out: Ausgangsspannung
T: Transformator
P: Primärseite
S: Sekundärseite
V(V_in): Leistungseingang

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brückenschaltung einer Wandlerstufe (1, 2) eines elektrischen Leistungswandlers (8) mit einem ersten Highside-Schalter (Q1; VQ1, VQ3) und einem ersten Lowside-Schalter (Q2; VQ2, VQ3) während einer Hochfahrperiode der Wandlerstufe (1, 2), wobei der erste Highside-Schalter (Q1; VQ1, VQ3) und der erste Lowside-Schalter (Q2; VQ2, VQ4) jeweils mit einem gepulsten Ansteuersignal mit einer Einschaltzeit (TQ1, TQ2; TVQ1, TVQ2, TVQ3, TVQ4) und einer Ausschaltzeit angesteuert werden, wobei das Verfahren zumindest eine erste Phase (Phase 1) umfasst, in welcher die Brückenschaltung derart gesteuert wird, dass die Einschaltzeit (TQ1; TVQ1, TVQ3) des ersten Highside-Schalters (Q1; VQ1, VQ3) schrittweise erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Phase (Phase 1) mehrmals durchlaufen wird, wobei die Steuerung und/oder die Regelung der Brückenschaltung während mindestens zwei Durchläufen der ersten Phase (Phase 1) unterschiedlich ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich in mindestens zwei Durchlaufen der ersten Phase (Phase 1) die Steuerung und/oder die Regelung der Brückenschaltung durch unterschiedlich gewählte Anfangswerte der Einschaltzeit (TQ1; TVQ1, TVQ3) des ersten Highside-Schalters (Q1; VQ1, VQ3) unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Periode des gepulsten Ansteuersignals des ersten Highside-Schalters (Q1; VQ1, VQ3) während mindestens eines Durchlaufs der ersten Phase (Phase 1) konstant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Periode des gepulsten Ansteuersignals des ersten Highside-Schalters (Q1; VQ1, VQ3) während mindestens eines Durchlaufs der ersten Phase (Phase 1) variabel ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausschaltzeit des ersten Highside-Schalters (Q1; VQ1, VQ3) während mindestens eines Durchlaufs der ersten Phase (Phase 1) konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brückenschaltung in mindestens einem Durchlauf der ersten Phase (Phase 1) derart gesteuert wird, dass die Einschaltzeit (TQ1; TVQ1, TVQ3) des ersten Highside-Schalters (Q1; VQ1, VQ3) schrittweise erhöht wird und die Ausschaltzeit des ersten Highside-Schalters (Q1; VQ1, VQ3) konstant ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Phase (Phase 1) des Verfahrens beendet wird, wenn eine Ausgangsgröße der Wandlerstufe (1, 2) oder des Leistungswandlers (8) einen vorbestimmten Wert oder einen vorbestimmten Bruchteil einer sich dynamisch ändernden Sollausgangsgröße erreicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner eine zweite Phase (Phase 2) umfasst, in welcher die Brückenschaltung mit einem Sollwert für eine Ausgangsgröße (V_out, I_out, I_res) geregelt wird, wobei der Sollwert während der zweiten Phase (Phase 2) von einem Start-Sollwert auf einen End-Sollwert geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Ausgangsgröße ein Ausgangsstrom (I_out) oder eine Ausgangsspannung (V_out) der Wandlerstufe oder des Leistungswandlers ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Start-Sollwert einem Wert der Ausgangsgröße (V_out, I_out) bei Beginn der dritten Phase entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Start-Sollwert kleiner als der End-Sollwert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einschaltzeit (TQ2; TVQ2, TVQ4) des ersten Lowside-Schalter (Q2; VQ2, VQ4) während des Verfahrens konstant ist.
Elektrischer Leistungswandler mit zumindest einer Wandlerstufe (1, 2), die eine Brückenschaltung mit mindestens einem Highside-Schalter (Q1; VQ1, VQ3) und mindestens einem Lowside-Schalter (Q2; VQ2, VQ4) aufweist, und einem Controller, der an die zumindest eine Wandlerstufe (1, 2) gekoppelt ist, wobei ein Ausgang der zumindest einen Wandlerstufe (1, 2) zum Bereitstellen einer Ausgangsleistung an einen Ausgang des elektrischen Leistungswandlers (8) gekoppelt ist, wobei der Controller dazu eingerichtet ist, die Brückenschaltung während einer Hochfahrperiode der zumindest einen Wandlerstufe (1, 2) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu betreiben.
Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 11, wobei die zumindest eine Wandlerstufe (1, 2) eine DC/DC-Wandlerstufe ist.
Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 11 oder 12, wobei die zumindest eine Wandlerstufe (1, 2) einen Transformator (T) mit einer Primärseite (P) und einer Sekundärseite (S) zur galvanischen Trennung zwischen der Brückenschaltung und dem Ausgang der Wandlerstufe (1, 2) umfasst, wobei die Brückenschaltung an die Primärseite (P) des Transformators (T) gekoppelt ist und der Ausgang der zumindest einen Wandlerstufe (1, 2) an die Sekundärseite (S) des Transformators (T) gekoppelt ist.
Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 16, bei welchem der Controller dazu eingerichtet ist, die Brückenschaltung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 6 oder einem davon abhängigen Anspruch zu betreiben, wobei ein Rückkopplungseingang des Controllers zum Erfassen der Ausgangsgröße (I_res) an die Primärseite (P) der zumindest einen Wandlerstufe gekoppelt ist.
Beleuchtungssystem mit einem elektrischen Leistungswandler (8) nach einem der Ansprüche 11 bis 14 und zumindest einer elektrischen Lichtquelle, die an den Ausgang des elektrischen Leistungswandlers (8) gekoppelt ist.