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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/710,165 vom 5. Oktober 2012, die hier vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
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Technisches Gebiet
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Die hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs für einen oder mehrere Schalter in einem Leistungswandler für eine Alterungskompensation.
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Hintergrund
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Es ist bekannt, einen Mehrphasen-Schaltwandler vorzusehen. Ein Beispiel für eine derartige Implementierung ist in dem
US-Patent Nr. 6,362,608 („das '608-Patent”) (Ashburn et al.) angegeben.
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Das
'608 -Patent gibt Mehrphasen-Schaltwandler und Verfahren an, die eine schnelle Reaktion und eine geringe Welligkeit auf den Ein- und Ausgaben des Wandlers vorsehen. Die Wandler umfassen mehrere Wandlerstufen, die normalerweise in einer Sequenz auf einer gemeinsamen Last betrieben werden.
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Wenn jedoch erfasst wird, dass der Betrieb einer der Wandlerstufen den Wandler nicht zu einer Regelung zurückversetzt, werden mehrere Wandlerstufen betrieben, bis die Regelung wiederhergestellt wird. Anschließend werden die Wandlerstufen erneut in der Sequenz betrieben. Nachdem in der beschriebenen Ausführungsform erfasst wurde, dass der Betrieb einer der Wandlerstufen den Wandler nicht zu einer Regelung zurückversetzt, werden alle Wandlerstufen betrieben, bis die Regelung wiederhergestellt ist. Anschließend werden die Wandlerstufen wieder in der Sequenz betrieben, wobei mit der Stufe begonnen wird, die den niedrigsten Induktorstrom aufweist.
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Zusammenfassung
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In wenigstens einer Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Vorsehen einer Alterungskompensationssteuerung für einen Leistungswandler vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung für die Kopplung mit einem Leistungswandler, der eine Vielzahl von Phasen zum Wandeln eines ersten Eingangssignals zu einem ersten Ausgangssignal enthält. Die Steuereinrichtung ist konfiguriert, um wenigstens einen ersten Schalter für eine erste Phase aus der Vielzahl von Phasen zum Wandeln des ersten Eingangssignals zu dem ersten Ausgangssignal zu aktivieren. Die Steuereinrichtung ist weiterhin konfiguriert, um eine gealterte Bedingung für den wenigstens einen ersten Schalter für die erste Phase auf der Basis einer äquivalenten Teq des wenigstens einen ersten Schalters, wobei Teq der aktiven Zeitdauer des wenigstens einen ersten Schalters entspricht, und auf der Basis einer Betriebstemperatur des wenigstens einen ersten Schalters während der aktiven Zeitdauer des wenigstens einen ersten Schalters zu bestimmen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt ein System zum Steuern des Betriebs eines oder mehrerer Schalter in einem Leistungswandler gemäß einer Ausführungsform.
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2 zeigt ein Verfahren zum Steuern des Betriebs des einen oder der mehreren Schalter in dem Leistungswandler gemäß einer Ausführungsform.
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3 zeigt ein Verfahren zum Setzen einer Anzahl von aktiven Phasen gemäß einer Ausführungsform.
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4 zeigt verschiedene Wellenformen in Entsprechung zu Aspekten des Systems gemäß einer Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung
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Es werden hier verschiedene Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben, wobei jedoch zu beachten ist, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die auch durch verschiedene alternative Ausführungsformen realisiert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei einige Merkmale vergrößert oder verkleinert dargestellt sein können, um Details bestimmter Komponenten zu verdeutlichen. Die hier beschriebenen Details des Aufbaus und der Funktion sind also nicht einschränkend aufzufassen, sondern lediglich als repräsentative Basis für den Fachmann, der die vorliegende Erfindung umsetzen möchte.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen allgemein verschiedene Schaltungen oder andere elektrische Einrichtungen vor. Alle Bezugnahmen auf Schaltungen und andere elektrische Einrichtungen und deren Funktionen sind nicht einschränkend aufzufassen. Es können bestimmte Bezeichnungen für die verschiedenen Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen verwendet werden, wobei diese Bezeichnungen jedoch den Betriebsumfang für die Schaltungen und anderen elektrischen Einrichtungen nicht einschränken. Derartige Schaltungen und andere elektrische Einrichtungen können je nach dem bestimmten Typ der gewünschten elektrischen Implementierung miteinander kombiniert und/oder voneinander getrennt sein. Es ist zu beachten, dass beliebige der hier angegebenen Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichereinrichtungen (z. B. FLASH, RAM, ROM, EPROM, EEPROM oder andere Varianten) und Software umfassen können, die zusammenwirken, um die hier beschriebenen Operationen auszuführen.
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1 zeigt ein System (oder eine Vorrichtung) 10 zum Steuern des Betriebs eines oder mehrerer Schalter 12a–12n („12”) (oder Phasen) in einem Leistungswandler 14 gemäß einer Ausführungsform. Das System 10 umfasst eine Steuereinrichtung 16, die operativ mit dem Leistungswandler 14 gekoppelt ist, um einen oder mehrere der Schalter 12 zu aktivieren/deaktivieren. Es ist zu beachten, dass der Leistungswandler 14 in Verbindung mit einem Fahrzeug verwendet werden kann, um eine oder mehrere Fahrzeugbatterien (nicht gezeigt) zu laden. In einem Beispiel kann der Leistungswandler 14 als ein Dreiphasen-Leistungswandler (z. B. eine Buck-Schaltung) implementiert sein. In einem Beispiel kann der Leistungswandler 14 ein verschachtelter Leistungswandler sein, der eine parallele Architektur verwendet, in der viele quasi-autonome Wandler wie etwa Phasen parallel implementiert sind, um einen einzelnen großen Leistungswandler zu bilden.
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Die Schalter 12 können jeweils als ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder eine andere geeignete Einrichtung implementiert sein. Um allgemein die Effizienz zu erhöhen, kann eine jeweils andere Anzahl von Phasen (z. B. i, j, k usw.) in Abhängigkeit von dem durch den Leistungswandler 14 fließenden Gesamtstrom (IT) aktiviert werden. Mit anderen Worten kann der Leistungswandler 14 mit einer, zwei oder drei Phasen arbeiten. Dabei kann das System 10 die Nutzung aller Phasen ausgleichen, um alle Phasen oder Schalter 12 bei einem ähnlichen Verschleiß zu halten. Für einen Mehrphasen-Wandler ist eine Phase allgemein als ein Teil der Schaltung definiert, der zwischen einem Eingang und einer Last angeordnet ist, wobei Kopien einer derartigen Schaltung parallel zueinander zwischen dem Eingang und der Last angeordnet sind. Dabei kann jede Phase mit gleichmäßig beabstandeten Intervallen über eine Schaltfrequenz aktiviert werden. Mit Bezug auf 1 ist jede Phase allgemein als ein oder mehrere Schalter definiert, die allgemein mit einem entsprechenden Induktor 15 gekoppelt sind. Zum Beispiel umfasst die Phase i allgemein einen Induktor 15a, einen Schalter 12a und einen Schalter 12b, umfasst die Phase j allgemein einen Induktor 15b, einen Schalter 12c und einen Schalter 12d und umfasst die Phase k allgemein einen Induktor 15c, einen Schalter 12e und einen Schalter 12n. Es ist zu beachten, dass jede Phase weitere oder weniger Komponenten als in 1 gezeigt aufweisen kann und dass die in 1 gezeigten Phasen beispielhaft aufzufassen sind.
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Es ist zu beachten, dass die Gesamtnutzung jeder Phase (oder die Alterung jeder Phase) auf der Basis der Gesamtzeit, mit welcher jede Phase bei bestimmten Betriebsbedingungen betrieben wird, bestimmt werden kann.
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Zum Beispiel kann eine „äquivalente Betriebszeit” Teq wie folgt definiert werden: Teq = ΣΔt·Ea/[kB·(TJ_MAX – TJ)] (Gl. 1) wobei Teq bei einigen Intervallzeiten Δt (normalerweise mit gleicher Dauer) für jede Phase berechnet wird, wobei Teq allgemein als die Zeitdauer definiert ist, während welcher ein Schalter 12 mit einer bestimmten Temperatur betrieben wird, und somit allgemein die Alterung des Schalters 12 angibt.
wobei Ea eine Konstante ist, die als eine Aktivierungsenergie definiert ist, die allgemein eine Angabe zu dem Effekt der Betriebsbedingungen (Temperatur usw.) auf die Lebensdauer des einen oder der mehreren Schalter 12 vorsieht,
wobei k die Boltzmann-Konstante ist,
wobei TJ_MAX eine maximale Übergangstemperatur ist, der ein Schalter 12 standhalten kann, wobei diese Information in einem Datenblatt des Herstellers angegeben sein kann,
wobei TJ die tatsächliche Übergangstemperatur des Schalters 12 ist, die wie folgt berechnet wird: TJ = Tambient + RTH·PD (Gl. 2) wobei Tambient die Umgebungstemperatur in der Nähe einer Leiterplatte des Leistungswandlers 14 ist, die mittels eines um jeden Schalter 12 herum angeordneten Temperatursensors 18 erhalten werden kann, RTH der Komponentenwärmewiderstand für den Schalter 12 ist (der von dem Typ des Schalters oder der Leiterplatte abhängen kann und weiterhin auf der Basis von derartigen Faktoren oder auch experimentell bestimmt werden kann) und PD die in der Leitung verlorene Leistung ist, die unter Verwendung von gemessenen Spannungen und Strömen berechnet wird. Zum Beispiel kann ein Nebenschluss 20 um einen oder mehrere der Schalter 12 herum angeordnet sein, damit ein oder mehrere Sensoren 22 den Strom über einen oder mehrere der Schalter 12 messen können, wenn die Schalter 12 aktiv sind. Außerdem werden ein oder mehrere Spannungssensoren 24 verwendet, um Vin (eine Eingangsspannung) und Vout (eine Ausgangsspannung) zu messen. Die Steuereinrichtung 16 kann PD auf der Basis derartiger gemessener Strom- und Spannungswerte bestimmen. Als eine erste Näherung kann PD weiterhin als PD = PON + PSW definiert oder geschätzt werden. Dabei ist PON allgemein als der Leitungsverlust im EIN-Zustand des Schalters 12 definiert und ist PSW allgemein als die beim Schalten des Schalters 12 verlorene Leistung definiert. PON und PSW können durch die oben genannten Spannungs- und Strommessungen und auf der Basis von Informationen zu den Entwurfs/Komponentenparametern erhalten werden.
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2 zeigt ein Verfahren 50 zum Steuern des Betriebs des einen oder der mehreren Schalter 12 in dem Leistungswandler 14 gemäß einer Ausführungsform.
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In Schritt 52 bestimmt die Steuereinrichtung 16 alle Spannungen (an dem Eingang und dem Ausgang des Wandlers 14 (z. B. Vin und Vo)), wobei Ströme (für jede Phase) und die Temperatur (z. B. die Umgebungstemperatur in der Nähe der Schalter 12) gemessen werden.
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In Schritt 54 bestimmt die Steuereinrichtung 16 die Anzahl von Phasen, die zu aktivieren sind. Allgemein kann eine beliebige Anzahl von Algorithmen vorgesehen sein, um die Anzahl von zu aktivierenden Phasen zu bestimmen.
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Ein Algorithmus umfasst ein Schema für die gemeinsame Stromnutzung. Das Schema enthält in der Aktivierung eine Phase (von N Phasen) für jeden N-ten Bruchteil des Gesamtausgangsstroms (IT). Ein Beispiel dafür, wie die Steuereinrichtung 16 die Anzahl von Phasen bestimmt, ist in 3 gezeigt und wird im Folgenden ausführlicher erläutert.
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Zum Beispiel kann der Leistungswandler 14 (z. B. ein DC/DC-Wandler) mit drei Phasen einen Ausgangsstrom (z. B. IT) aufweisen, der auf einen Maximalwert von zum Beispiel 36 A (Imax) beschränkt ist. Jede Phase sieht allgemein einen Teil des maximalen Stromwerts IT vor oder trägt zu demselben bei.
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In Schritt 54a bestimmt die Steuereinrichtung 16, ob der Ausgangsstrom IT kleiner als ein erster vorbestimmter Strom ist (I1 = Imax/3) (z. B. 12 A). Wenn dies der Fall ist, dann setzt das Verfahren 50 die Anzahl von aktiven Phasen auf 1 und schreitet zu Schritt 56a fort. Wenn nicht, schreitet das Verfahren 50 zu Schritt 54b fort.
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In Schritt 54b bestimmt die Steuereinrichtung 16, ob der Ausgangsstrom IT größer als der erste vorbestimmte Strom (I1 wobei I1 = Imax/3) (z. B. 12 A) und kleiner als ein zweiter vorbestimmter Strom (I2 wobei I2 = Imax·2/3) (z. B. 24 A) ist. Wenn dies der Fall ist, dann setzt das Verfahren 50 die Anzahl von aktiven Phasen auf 2 und schreitet zu Schritt 56b fort.
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Wenn nicht, dann schreitet das Verfahren 50 zu Schritt 54c fort.
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In Schritt 54c bestimmt die Steuereinrichtung 16, ob der Ausgangsstrom IT größer als der zweite vorbestimmte Strom (I2) (z. B. 24 A) ist. Wenn dies der Fall ist, dann setzt das Verfahren 50 die Anzahl von aktiven Phasen auf 3 und schreitet zu Schritt 56c fort. Wenn nicht, dann schreitet das Verfahren 50 zu Schritt 54a fort.
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Durch die Ausführung der Schritte 54a, 54b und 54c kann das System 10 die Anzahl von in jeder Schleife aktiven Phasen bestimmen.
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4 zeigt Wellenformen 90 und 92, die die aktivierten Phasen auf der Basis der Alterungsbedingung jeder Phase angeben.
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Mit Bezug auf 2 aktiviert in dem Schritt 56a die Steuereinrichtung 16 nur eine Phase.
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In Schritt 56b aktiviert die Steuereinrichtung 16 zwei Phasen.
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In Schritt 56c aktiviert die Steuereinrichtung 16 drei Phasen.
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In Schritt 58 bestimmt die Steuereinrichtung 16 die Alterung der Phasen (z. B. i, j und/oder k) (d. h. für die Schritte 56a, 56b und 56c). Für die Durchführung dieses Schritts wird die „äquivalente Betriebszeit) (Teq) für jede Phase periodisch berechnet und in einer Variable akkumuliert. Die Bestimmung, welche Phasen altern, wird im größeren Detail mit Bezug auf die Schritte 60a–60c, 62a–62c und 64 beschrieben. Die Variable für jede Phase ist mit Bezug auf 2 gezeigt und kann als Teq#i, Teq#j und Teq#k definiert werden. Wenn die Phase mit einer höheren Leistung und/oder einer höheren Temperatur arbeitet, wird diese Variable (d. h. Teq) schneller erhöht. Wenn die Phase dagegen mit einer niedrigeren Leistung und/oder einer niedrigeren Temperatur arbeitet, wird diese Variable (d. h. Teq) langsam erhöht.
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In Schritt 60a bestimmt die Steuereinrichtung 16, ob Teq für die Phase i (oder Teq#i) einen ersten fixen Wert überschreitet. Wenn dies der Fall ist, dann geht das Verfahren 50 zu Schritt 62a. Wenn nicht, dann geht das Verfahren 50 zu Schritt 60b.
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In Schritt 60b bestimmt die Steuereinrichtung 16, ob Teq für die Phase j (oder Teq#j) einen zweiten fixen Wert überschreitet. Wenn dies der Fall ist, dann geht das Verfahren 50 zu Schritt 62b. Wenn nicht, geht das Verfahren 50 zu Schritt 60c.
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In Schritt 60c bestimmt die Steuereinrichtung 16, ob Teq für die Phase k (oder Te1#k) einen dritten fixen Wert überschreitet. Wenn dies der Fall ist, geht das Verfahren 50 zu Schritt 62b. Wenn nicht, geht das Verfahren 50 zu Schritt 60c.
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Die Schritte 62a, 62b und 62c entsprechen jeweils den Fällen, dass der Wert der akkumulierten Variable Teq#i, Teq#j und/oder Teq#k höher als jeweils der erste fixe Wert, der zweite fixe Wert und/oder der dritte fixe Wert ist. Es ist zu beachten, dass der erste fixe Wert, der zweite fixe Wert und der dritte fixe Wert jeweils ähnlich oder voneinander verschieden sein können. In den Schritten 62a, 62b und 62c wird die entsprechende Phase, die den fixen Wert überschreitet, gestoppt (z. B. siehe Teq#i = 0, Teq#j = 0, Teq#k = 0), bis andere Phasen diesen Wert erreichen oder alle Phasen benötigt werden. Zum Beispiel zeigen die Wellenformen 94, 96, 98 und 100 in 4 die Entwicklung über die Zeit dieser Variablen für den beschriebenen Ausgangsstrom unter Verwendung von T = 2 (oder des fixen Werts = 2).
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Die Schritte 62, 62b und 62c geben nicht nur die Zeitpunkte an, zu denen die akkumulierte Variable Teq#i, Teq#j und/oder Teq#k den ersten, zweiten und/oder dritten fixen Wert (oder T) erreichen, sondern geben auch an, dass ein Zähler Taging (z. B. Taging#i, Taging#j oder Taging#k) um den in der akkumulierten Variable Teq#i, Teq#j und/oder Teq#k gespeicherten Wert erhöht wird. Dabei kann der Zähler Taging „normalisierte” Informationen zu der Alterung jeder Phase speichern. Die Wellenformen 102, 104 und 106 zeigen Beispiele von in entsprechenden Zählern Taging#i, Taging#j oder Taging#k gespeicherten Werten.
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In Schritt 64 bestimmt die Steuereinrichtung 16, ob die Werte in einem oder mehreren der entsprechenden Zähler Taging#i, Taging#j oder Taging#k einen vordefinierten maximalen Schwellwert TMAX überschreiten. Wenn dies der Fall ist, geht das Verfahren 50 zu Schritt 66. Wenn nicht, geht das Verfahren 50 zurück zu Schritt 52.
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In Schritt 66 berichtet oder sendet die Steuereinrichtung 16 Daten, die angeben, dass eine oder mehrere der Phasen in dem Leistungswandler 14 einen maximal gealterten Status (eine maximale gealterte Bedingung) erreicht haben und dass der entsprechende Schalter in der Phase, die die maximal gealterte Bedingung aufweist, seinen Betrieb stoppt.
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Wenn die Übergangstemperatur eines bestimmten Schalters 12 in einer Phase eine maximale Betriebsübergangstemperatur erreicht, geht die „äquivalente Betriebszeit” (Teq) zu ∞, um anzugeben, dass der Schalter 12 zerstört wird (betriebsunfähig gemacht wird) (siehe die Schritte 64 und 66). Bei dem vorgeschlagenen Verfahren 50 kann sichergestellt werden, dass alle Phasen eine ähnliche Taging aufweisen. Wenn wie in Bezug auf Schritt 66 genannt eine der Phasen einen vordefinierten Schwellwert TMAX erreicht, kann das System 10 berichten, dass der Leistungswandler 14 (oder die Phase) den maximal „GEALTERTEN” Status erreicht hat und seine entsprechenden Schalter 12 gestoppt werden können. Der maximal GEALTERTE Status gibt allgemein an, dass eine Phase für eine lange Zeitdauer bei belastenden Temperatur- und/oder Strombedingungen betrieben wurde.
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Vorstehend wurden beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die Beschreibung ist beispielhaft und nicht einschränkend aufzufassen, wobei verschiedene Änderungen an den hier beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Außerdem können Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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