DE102013207327A1

DE102013207327A1 - Konvertermodul zum Betrieb von Leuchtmitteln, mit potentialtrennendem getakteten Wandler

Info

Publication number: DE102013207327A1
Application number: DE102013207327.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Sandholzer
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2014-10-23
Also published as: AT15875U1; WO2014172723A1

Abstract

In einem Aspekt stellt die Erfindung ein Konvertermodul bereit, aufweisend: einen primärseitig mittels eines Schalters getakteten potentialgetrennten Wandler, der eingangsseitig ausgehend von einer AC-Spannung, insbesondere einer Netzspannung, oder einer DC-Spannung versorgbar ist und ausgehend von dessen Sekundärseite eine Last, vorzugsweise wenigstens ein Leuchtmittel betreibbar ist, eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, eine Einschaltzeitdauer des Schalters in einem Feed-Forward-Betrieb und/oder unter Verwendung eines zurückgeführten Messignals zu regeln. Für eine bestimmte Zeitdauer oder bestimmte Anzahl an Schaltzyklen nach Einschalten der DC- oder AC-Spannung kann eine konstante oder variable Beschränkung der Einschaltzeitdauer des Schalters vorgegeben sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Konvertermodul mit getakteten Wandler, insbesondere mit einem Flyback-Wandler (Sperrwandler, auch Hoch-Tiefsetzsteller), wie es z. B. für den Betrieb von Leuchtmitteln (LEDs, Oleds, Gasentladungslampen...) eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere die Verwendung von potentialtrennenden getakteten Wandlern in einem solchen Konvertermodul, die durch einen getaktetes Halbleiter-Schalter, der als Transistor, vorzugsweise als FET-Transistor (z. B. MOSFET), ausgestaltet ist, getaktet sind.
Als Ausgangspunkt für die Erfindung kann bspw. die DE 10 2010 064 032 A1 angesehen werden, die den Einsatz eines Flyback-Wandlers in einem Konvertermodul für Gasentladungslampen beschreibt. Weiter ist die EP 0 470 750 A2 zu nennen, in der die Verwendung eines Flyback-Wandlers in einem Netzteil beschrieben ist.
Der potentialtrennende getaktete Wandler teilt das Konvertermodul in eine Primärseite und in eine davon potential getrennte Sekundärseite. Dem Konvertermodul wird primärseitig eine Versorgungsspannung/ein Versorgungsstrom zugeführt, die/der insbesondere der Netzversorgung entspricht oder davon abgeleitet ist. Alternativ kann eine DC-Versorgung vorliegen. Insbesondere ist die Versorgungsspannung/der Versorgungsstrom eine DC-Spannung/ein DC-Strom oder eine AC-Spannung/ein AC-Strom (Gleich- oder Wechselspannung/-strom).
Von der Sekundärseite des Konvertermoduls ausgehend wird dann eine Last, insbesondere wenigstens ein Leuchtmittel versorgt. Vorzugsweise ist das Konvertermodul in einem Vorschaltgerät angeordnet, bzw. ist Teil des Vorschaltgeräts.
Der potentialgetrennte getaktete Wandler des Konvertermoduls überträgt eine Leistung von der Primärseite auf die Sekundärseite. Mit Bezug auf 1 soll kurz die prinzipielle Funktionsweise eines Wandlers, wie er im Folgenden vorwiegend betrachtet ist, erläutert werden. Wenn der Schalter geschlossen ist (1, oben), wird eine Primärwicklung des Wandlers direkt mit der Versorgungsspannung/dem Versorgungsstrom verbunden. Der Primärstrom und magnetische Fluss in den Wandler steigen an und Energie wird in dem Wandler gespeichert. Die auf der Sekundärseite induzierte Spannung ist dann negativ, so dass eine sekundärseitige Diode sperrt. Eine sekundärseitige Kapazität liefert Energie an die Last.
Wenn der Schalter geöffnet wird (1, unten), fällt der primärseitige Strom und der magnetischer Fluss ab. Die sekundärseitig induzierte Spannung ist dann positiv, und die Diode sperrt nicht länger, so dass der Strom aus dem Wandler abfließen kann. Die von dem Wandler sekundärseitig bereitgestellte Energie lädt die Kapazität und versorgt die Last.
Zur Regelung der übertragenen Leistung weist das Konvertermodul weiter eine Steuereinheit auf, die bspw. als Proportional-Regler (P-Regler), Proportional-Integral-Regler (PI-Regler), Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) und/oder Proportional-Differential-Regler (PD-Regler) ausgebildet sein. Als Steuereinheit kann weiter eine integrierte Schaltung (IC, ASIC) oder ein Mikrocontroller zum Einsatz kommen. Es wird also an dem Konvertermodul eine Last betrieben, die von der Sekundärseite des Wandlers her mit Leistung betrieben wird.
Nach einem Einschalten bzw. einem Rücksetzen der Versorgungsspannung/des Versorgungsstroms wird die Steuereinheit bekannter Konvertermodule zunächst versuchen, während einer Startphase möglichst schnell auf einen Sollwert für die Leistungsabgabe zu regeln, der für die Last vorgesehen ist. Somit wird die Einschaltzeitdauer des Wandler-Schalters (FET, MOSFET, ...) entsprechend lange gewählt, um eine hohe Energieübertragung über den Wandler zu erreichen.
Dies bedeutet jedoch, dass während dieser Startphase, ein sehr hoher Strom durch den Wandler-Schalter fließt. Dies ist unter anderem dadurch begründet, dass Kapazitäten auf der Sekundärseite des Wandlers, aber auch bspw. Drosseln zunächst geladen werden müssen und daher ein hoher Strombedarf auf der Sekundärseite besteht.
Dies kann zu einem Lawineneffekt/Lawinendurchbrucheffekt („Avalanche-Effekt”, „Avalanching”, Lawinenvervielfachung oder Trägermultiplikation) an dem Wandler-Schalter führen, der die Silizium-Struktur des Wandler-Schalters, also des Hableiterschaltelements, beschädigen oder zerstören kann, was in der Folge zu einem Ausfall des Schalters und damit des Konvertermoduls führen kann. Dieser hohe Strom wird wie gesagt dadurch verursacht, dass nach einem Einschalten der Versorgungsspannung/des Versorgungsstroms zunächst ein sehr hoher Strom von der Sekundärseite des Wandlers angefordert wird, um die Sekundärseite in einen Sollbetriebszustand zu bringen.
Während eines Lawineneffekts/Lawinendurchbrucheffekts wird auch eine große Menge an Energie in thermische Energie gewandelt.
Ziel der Erfindung ist es daher, eine Lösung bereitzustellen, die eine Betrieb des Konverter Moduls erlaubt und gleichzeitig eine Beschädigung oder Zerstörung des Wandler-Schalters verhindert, insbesondere dadurch, dass verhindert wird, dass es zu einem Lawineneffekt/Lawinendurchbrucheffekt, während der Phase unmittelbar nach einem Einschalten der Versorgungsspannung/des Versorgungsstroms kommt.
Die erfindungsgemäße Lösung wird dabei durch eine Vorrichtung und ein Verfahren verwirklicht, wie es/sie mit den unabhängigen Ansprüchen beansprucht ist. Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einem Aspekt stellt die Erfindung ein Konvertermodul bereit, aufweisend: einen primärseitig mittels eines Schalters getakteten potentialgetrennten Wandler, der eingangsseitig ausgehend von einer AC-Spannung, insbesondere einer Netzspannung, oder einer DC-Spannung versorgbar ist und ausgehend von dessen Sekundärseite eine Last, vorzugsweise wenigstens ein Leuchtmittel betreibbar ist, eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, eine Einschaltzeitdauer des Schalters in einem Feed-Forward-Betrieb und/oder unter Verwendung eines zurückgeführten Messignals zu regeln. Für eine bestimmte Zeitdauer oder bestimmte Anzahl an Schaltzyklen nach Einschalten der DC- oder AC-Spannung kann eine konstante oder variable Beschränkung der Einschaltzeitdauer des Schalters vorgegeben sein. „Beschränkung” bedeutet dabei, dass die beschränkte Einschaltdauer kürzer ist als diejenige, die sich nach der Startphase als maximale Einschaltzeitdauer (T_on-Zeit einstellen kann).
Die Regelung kann eine lineare oder rampenartige Erhöhung der Einschaltzeitdauer sein.
Die Steuereinheit kann die Einschaltzeitdauer innerhalb der bestimmten Zeitdauer in gleichen oder variablen Abständen verändern.
Das Messignal kann ein zugeführter Parameter, insbesondere ein Rückführsignal von der Sekundärseite des Wandlers, sein.
Das Messignal kann ein den Strom/die Spannung an der Last und/oder ein den Typ der angeschlossenen Last widergebender Parameter sein.
Die bestimmte Zeitdauer kann 2 bis 12 ms, insbesondere 4 bis 10 ms betragen.
Die Steuereinheit kann die Einschaltzeitdauer um einen festen oder variablen Wert erhöhen.
Die Steuereinheit kann die Einschaltzeitdauer nach jeweils 1 ms um 1 μs erhöhen.
Die Steuereinheit kann die Einschaltzeitdauer auf Basis einer hinterlegten Funktion und/oder einer Look-Up-Tabelle bestimmen.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Vorschaltgerät für Leuchtmittel bereit, insbesondere für LEDs, mit einem Konvertermodul wie oben beschrieben.
Die Erfindung stellt auch eine Leuchte mit einem Vorschaltgerät, wie oben beschrieben, bereit.
In noch einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren für den Betrieb eines Konvertermoduls bereit, wobei eine Steuereinheit, eine Einschaltzeitdauer eines primärseitig mittels eines Schalters getakteten potentialgetrennten Wandlers, der eingangsseitig ausgehend von einer AC-Spannung, insbesondere einer Netzspannung, oder einer DC-Spannung versorgbar ist und ausgehend von dessen Sekundärseite eine Last, vorzugsweise wenigstens ein Leuchtmittel betreibbar ist, in einem Feed-Forward-Betrieb und/oder unter Verwendung eines zurückgeführten Messignals regelt, und wobei für eine bestimmte Zeitdauer oder bestimmte Anzahl an Schaltzyklen nach Einschalten der DC- oder AC-Spannung eine konstante oder variable Beschränkung der Einschaltzeitdauer des Schalters vorgegeben ist.
Die Erfindung wird nunmehr auch mit Blick auf die Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
1 schematisch einen Grundaufbau eines getakteten potentialgetrennten Schalters; und
2 schematisch ein Konvertermodul gemäß der Erfindung.
Im vorliegenden Fall ist unter einem Einschalten ein Unterbrechen der Versorgungsspannung/des Versorgungsstroms des Konvertermoduls zu verstehen, wie es z. B. bei einem Neustart eines Vorschaltgerätes oder einem Wieder-Einschalten der Netzspannungsversorgung, jedoch auch ein Neustarten der Last, d. h. des angeschlossenen Leuchtmittels, auftritt.
In 2 ist das Konvertermodul mit K und die Last mit L bezeichnet. Die gestrichelten Elemente deuten eine optionale Rückführung eines Parameters von der Lasst oder einen diese Identifizierenden Parameter an, der optional, ebenso oder alternativ wie ein Parameter von der Sekundärseite des Wandlers der Steuereinheit zugeführt werden kann. Die Potentialtrennung durch den Wandler ist in dem Wandler durch eine strichgepunktete Linie angedeutet. Es ist klar, dass (z. B. in einem Vorschaltgerät) weitere Module zwischen der Netzversorgung und dem Konvertermodul und/oder zwischen dem Konvertermodul und der Last verbunden sein können. Dies ist in 2 mit unterbrochenen Verbindungsleitungen verdeutlicht.
In den meisten Fallen tritt der Lawineneffekt/Lawinendurchbrucheffekt nach dem Einschalten während einer Anlaufphase, meist nur während einiger weniger Zyklen, auf, d. h., ungefähr in einem Zeitraum von 6–12 ms, insbesondere von 8–10 ms. Genauer gesagt dauert die Anlaufphase so lange, bis auf der Sekundärseite des Wandlers die Kapazitäten geladen sind und der Wandler eingeschwungen ist.
Um nun den Lawineneffekt zu vermeiden, wird vorgesehen, eine sog. „Softstart” Funktion in der Steuereinheit zu implementieren, d. h. die Steuereinheit steuert den Wandler-Schalter während der Anlaufphase auf besondere Weise an.
Kern der Erfindung ist es nunmehr während der Anlaufphase insbesondere die Einschaltzeitdauer (T_on-Zeit), d. h. die Zeit in der der Wandler-Schalter eingeschaltet ist bzw. leitend geschaltet ist, zu verändern.
In bekannten Konvertermodulen würde beispielsweise die T_on-Zeit des Wandler-Schalters auf einen festen Wert, beispielsweise 4 Mikrosekunden (μs) festgelegt. Um nunmehr den Lawinen- bzw. den Lawinendurchbrucheffekt zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, während der Anlaufphase die T_on-Zeit zunächst gering zu wählen bzw. auf einen geringen Wert zu begrenzen und sie dann über die Dauer der Anlaufphase sukzessiv zu erhöhen.
Beispielsweise kann statt einem Zeitraum von 4 μs zunächst ein Zeitraum von 1 μs gewählt werden. In festen oder variablen Abständen kann die T_on-Zeit dann erhöht werden. Zum Beispiel kann im Abstand einer Millisekunde (ms) die T_on-Zeit um wenigstens eine Mikrosekunde erhöht werden, bis eine maximale T_on-Zeit für den Wandler-Schalter erreicht ist. Insgesamt kann somit in der Anlaufphase beispielsweise eine T_on-Zeit von 1–12 Mikrosekunden, insbesondere im Bereich von 4–10 Mikrosekunden eingestellt werden. In der Steuereinheit kann die Zeit für die Anlaufphase fest hinterlegt sein.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Dauer der Anlaufphase und/oder die Einschaltzeitdauer als Funktion abhängig von beispielsweise einem der Steuereinheit zugeführten Messwert bzw. Parameter gewählt wird, beispielsweise einem von der Sekundärseite zurückgeführten Parameter. Insbesondere können die Zeitabstände zu denen die Einschaltzeitdauer erhöht wird, auch dynamisch gewählt werden.
Es ist auch möglich, dass in der Steuereinheit eine Tabelle in Form einer Look-Up-Tabelle hinterlegt ist, und somit Zeitabstände für die Erhöhung der Einschaltzeitdauer bzw. der Dauer für die Anlaufphase abhängig von einem der Steuereinheit zugeführten Parameter gewählt werden. Beispielsweise kann durch eine nicht dargestellte Erkennungsfunktion ein Konvertermodul eine angeschlossene Last erkennen. Wird daher eine Information über die angeschlossene Last an die Steuereinheit übermittelt, kann die Anlaufphase bzw. die Einschaltzeitdauer abhängig davon eingestellt werden.
Die Steuereinheit kann die Einschaltzeitdauer aber auch in einem Feed-Forward-Betrieb regeln, insbesondere ohne dass ein Messignal oder Parameter an die Steuereinheit zurückgeführt wird. Beispielsweise kann die Steuereinheit erkennen, dass die Versorgungsspannung/der Versorgungsstrom eingeschaltet wurde. Ab dieser Erkennung kann die Steuereinheit die Einschaltzeitdauer dann entsprechend für eine bestimmte Zeit regeln, bzw. beschränken, und/oder als Funktion der Zeit oder anhand von in einer Tabelle hinterlegten Daten verändern.
Durch die sequenzielle Erhöhung der Einschaltzeitdauer kann auch ein großer Spannungsabfall auf der Sekundärseite des Wandlers vermieden werden, da die Steuerung auf die Ausgangsspannung viel schneller erfolgt.
Die so ausgeführte „Softstart”-Funktion vermeidet daher den Lawineneffekt bzw. den Lawinendurchbrucheffekt und ermöglicht es ebenfalls, die Steuerung mit einem Regler durchzuführen, der lediglich eine relativ geringe Regelgeschwindigkeit erlaubt. Andernfalls, d. h. ohne die „Softstart”-Funktion, wäre ein teurerer Regler mit höherer Geschwindigkeit nötig, um eine Reduzierung des Lawineneffekts bzw. des Lawinendurchbrucheffekts bei konstanter T_on-Zeit zu erreichen.
Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass bei entsprechender Einstellung und Veränderung der Einschaltzeitdauer während der Anlaufphase auch der Wandler-Schalter so gewählt werden kann, dass er prinzipiell für eine geringere Leistung ausgelegt ist (d. h. es kann z. B. ein kleinerer Transistor verwendet werden). Da hohe Stromflüsse während der Anlaufphase durch das erfindungsgemäße Regelverfahren vermieden werden, ist ein Einsatz dieser kleineren Schaltelemente möglich und ein Lawineneffekt bzw. Lawinendurchbrucheffekt ist nicht zu befürchten.
Zusammengefasst lässt sich also sagen, dass die erfindungsgemäße Lösung während des Startvorgangs/während der Anlaufphase die maximale Einschaltzeitdauer des Wandler-Schalters begrenzt, so dass in dieser Phase auch der maximal fließende Strom durch den Wandler-Schalter begrenzt ist. Genauer gesagt liegt jedoch keine feste Begrenzung der Einschaltzeitdauer des Wandler-Schalters vor, sondern die Begrenzung für die maximale Einschaltzeitdauer des Wandler-Schalters wird nach dem Einschalten/nach dem Netz-Reset in der Anlaufphase rampenartig oder linear erhöht.
Insgesamt liegt die zeitliche Dauer der Anlaufphase, d. h. der Einschaltzeitbegrenzung für den Wandler-Schalter im Bereich mehrerer Einschaltzyklen (beispielsweise 5–15, insbesondere 7–12 Einschaltzyklen).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010064032 A1 [0002]
EP 0470750 A2 [0002]

Claims

Konvertermodul aufweisend: – einen primärseitig mittels eines Schalters getakteten potentialgetrennten Wandler, der eingangsseitig ausgehend von einer AC-Spannung, insbesondere einer Netzspannung, oder einer DC-Spannung versorgbar ist und ausgehend von dessen Sekundärseite eine Last, vorzugsweise wenigstens ein Leuchtmittel betreibbar ist, – eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, eine Einschaltzeitdauer des Schalters in einem Feed-Forward-Betrieb und/oder unter Verwendung eines zurückgeführten Messignals zu regeln, und wobei für eine bestimmte Zeitdauer oder bestimmte Anzahl an Schaltzyklen nach Einschalten der DC- oder AC-Spannung eine konstante oder variable Beschränkung der Einschaltzeitdauer des Schalters vorgegeben ist.
Konvertermodul nach Anspruch 1, wobei die Regelung eine lineare oder rampenartige Erhöhung der Einschaltzeitdauer ist.
Konvertermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit die Einschaltzeitdauer innerhalb der bestimmten Zeitdauer in gleichen oder variablen Abständen verändert.
Konvertermodul nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Messignal ein zugeführter Steuerparameter, insbesondere ein Rückführsignal von der Sekundärseite des Wandlers, ist.
Konvertermodul nach Anspruch 4, wobei das Messignal ein den Strom/die Spannung an der Last und/oder ein den Typ der angeschlossenen Last widergebender Parameter ist.
Konvertermodul nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die bestimmte Zeitdauer 2 bis 12 ms, insbesondere 4 bis 10 ms beträgt.
Konvertermodul nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit die Einschaltzeitdauer um einen festen oder variablen Wert erhöht.
Konvertermodul nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit die Einschaltzeitdauer nach jeweils 1 ms um 1 μs erhöht.
Konvertermodul nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit die Einschaltzeitdauer auf Basis einer hinterlegten Funktion und/oder einer Look-Up-Tabelle bestimmt.
Vorschaltgerät für Leuchtmittel, insbesondere LEDs, mit einem Konvertermodul nach einem der Vorgehenden Ansprüche.
Leuchte mit einem Vorschaltgerät nach Anspruch 10.
Verfahren für den Betrieb eines Konvertermoduls, wobei eine Steuereinheit, eine Einschaltzeitdauer eines primärseitig mittels eines Schalters getakteten potentialgetrennten Wandlers, der eingangsseitig ausgehend von einer AC-Spannung, insbesondere einer Netzspannung, oder einer DC-Spannung versorgbar ist und ausgehend von dessen Sekundärseite eine Last, vorzugsweise wenigstens ein Leuchtmittel betreibbar ist, in einem Feed-Forward-Betrieb und/oder unter Verwendung eines zurückgeführten Messignals regelt, wobei für eine bestimmte Zeitdauer oder bestimmte Anzahl an Schaltzyklen nach Einschalten der DC- oder AC-Spannung eine konstante oder variable Beschränkung der Einschaltzeitdauer des Schalters vorgegeben ist.