-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln eines Gleichspannungswandlers, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf einen Gleichspannungswandler, insbesondere auf einen mehrstufigen Gleichspannungswandler.
-
Die Patentschrift
US 8,004,253 B2 befasst sich mit einem Regelverfahren für einen zweistufigen DC/DC-Wandler, bestehend aus einem Buck Converter und einem Phase-Shift Converter. In dem beschriebenen Regelverfahren wird nur die Zwischenspannung geregelt. Dies verursacht hohe Schwankungen der Ausgangspannung bei Laständerungen, da jede Änderung des Ist-Werts der Zwischenspannung sich unmittelbar auf die Ausgangspannung auswirkt.
-
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Regeln eines Gleichspannungswandlers, eine verbesserte Vorrichtung zum Regeln eines Gleichspannungswandlers sowie einen verbesserten Gleichspannungswandler gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
-
Der beschriebene Ansatz kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem mehrstufigen, beispielsweise einem zweistufigen Gleichspannungswandler eingesetzt werden. Es kann eine hoch effiziente Regelung für einen solchen Gleichspannungswandler realisiert werden, die es beispielsweise ermöglicht, die Ausgangspannung des Gleichspannungswandlers unter Berücksichtigung des aktuellen Laststroms des Gleichspannungswandlers zu regeln. Dadurch kann beispielsweise der Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers im Teil- und Niedriglastbereich erhöht werden, im Vergleich zu einem Gleichspannungswandler ohne eine entsprechende Regelung.
-
Ein Verfahren zum Regeln eines Gleichspannungswandlers mit einem ersten Wandler und einem nachgeschalteten zweiten Wandler, wobei der erste Wandler ausgebildet ist, um ein Eingangssignal des Gleichspannungswandlers abhängig von einem einstellbaren ersten Übersetzungsverhältnis des ersten Wandlers in ein Zwischenkreissignal zu wandeln und wobei der zweite Wandler ausgebildet ist, um das Zwischenkreissignal abhängig von einem zweiten einstellbaren Übersetzungsverhältnis des zweiten Wandlers in ein Ausgangssignal des Gleichspannungswandlers zu wandeln, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
-
Bestimmen eines ersten Steuersignals zum Einstellen des ersten Übersetzungsverhältnisses des ersten Wandlers unter Verwendung des Ausgangssignals des Gleichspannungswandlers, um das Zwischenkreissignal auf einen von dem Ausgangssignal abhängigen Sollwert für das Zwischenkreissignal zu regeln.
-
Bei dem Gleichspannungswandler kann es sich um einen DC/DC-Wandler, beispielsweise einen sogenannten phase-shift Konverter handeln. Bei dem ersten Wandler und dem zweiten Wandler kann es sich je um einen Gleichspannungswandler handeln. Ein solcher Wandler kann beispielsweise als ein Abwärtswandler nach dem Verfahren der Pulsweitenmodulation, ein sogenannter buck converter, oder als ein Phasenverschiebungs-Wandler, ein sogenannter phase shift converter, oder als ein Gegentaktflusswandler ausgeführt sein. Das Eingangssignal, das Ausgangssignal und das Zwischenkreissignal können je eine elektrische Spannung und zusätzlich oder alternativ einen elektrischen Strom repräsentieren oder umfassen. Das zum Bestimmen des ersten Steuersignals verwendete Ausgangssignal kann eine ausgangsseitige Last des Gleichspannungswandlers repräsentieren. Das Ausgangssignal des Gleichspannungswandlers kann daher insbesondere ein Ausgangsstrom sein. In einem Schritt des Bereitstellens kann das erste Steuersignal an eine Schnittstelle zu dem ersten Wandler bereitgestellt werden. Das erste Steuersignal kann ein elektrisches Signal sein, das von dem ersten Wandler empfangen und zum Einstellen des ersten Übersetzungsverhältnisses verwendet werden kann. Das erste Übersetzungsverhältnis kann beispielsweise ein Verhältnis zwischen einer durch das Eingangssignal repräsentierten Eingangsspannung und einer durch das Zwischensignal repräsentierten Zwischenspannung definieren. Indem die ausgangsseitige Last des Gleichspannungswandlers zur Einstellung des Zwischensignals verwendet werden kann, kann der zweite Wandler auch bei sich ändernden ausgangsseitigen Lasten in einem Arbeitspunkt mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden. Beispielsweise kann das Zwischensignal dazu so eingestellt werden, das der zweite Wandler in mit einem im Hinblick auf die Verlustleistung optimalen zweiten Übersetzungsverhältnis betrieben werden kann. Auf diese Weise kann die Verlustleistung des Gleichspannungswandlers sehr gering gehalten werden.
-
Das Verfahren kann einen Schritt des Bestimmens eines zweiten Steuersignals zum Einstellen des zweiten Übersetzungsverhältnisses des zweiten Wandlers unter Verwendung des Ausgangssignals des Gleichspannungswandlers umfassen. Dadurch kann das Ausgangssignal auf einen Sollwert für das Ausgangssignal geregelt werden. Der Sollwert für das Ausgangssignal kann beispielsweise eine angestrebte Ausgangsspannung sein, in die die Eingangsspannung gewandelt werden soll. Das zweite Steuersignal kann ein elektrisches Signal sein, das von dem zweiten Wandler empfangen werden und zum Einstellen des zweiten Übersetzungsverhältnisses verwendet werden kann. Das zweite Übersetzungsverhältnis kann beispielsweise ein Verhältnis zwischen einer durch das Zwischensignal repräsentierten Zwischenspannung und einer durch das Ausgangssignal repräsentierten Ausgangsspannung definieren. Auf diese Weise können die Übersetzungsverhältnisse beider Wandler eingestellt werden, um das Eingangssignal beispielsweise möglichst verlustfrei in ein vorgegebenes Ausgangssignal zu wandeln.
-
Dabei kann der Schritt des Bestimmens des zweiten Steuersignals ferner unter Verwendung des Zwischenkreissignals und zusätzlich oder alternativ unter Verwendung des Sollwerts für das Ausgangssignal ausgeführt werden. Dadurch kann das zweite Steuersignal sehr genau bestimmt werden.
-
Im Schritt des Bestimmens des ersten Steuersignals kann das erste Steuersignal als ein Pulsweitenmodulationssignal zum Einstellen einer das erste Übersetzungsverhältnis bestimmenden Pulsweitenmodulation des ersten Wandlers bestimmt werden. Beispielsweise kann das Pulsweitenmodulationssignal zum Steuern eines Schließzustandes zumindest eines Schalters des ersten Wandlers eingesetzt werden, durch dessen gesteuertes Öffnen und Schließen eine Größe des Zwischensignals gesteuert werden kann. Somit kann das erste Steuersignal beispielsweise zum Ansteuern eines bekannten Abwärtswandlers verwendet werden.
-
Im Schritt des Bestimmens des zweiten Steuersignals kann das zweite Steuersignal als ein Phasenverschiebungssignal zum Einstellen einer das zweite Übersetzungsverhältnis bestimmenden Phasenverschiebung des zweiten Wandlers bestimmt werden. Beispielsweise kann das Phasenverschiebungssignal zum Steuern eines Ansteuerungsgrads einer Schalteinrichtung des zweiten Wandlers eingesetzt werden, durch die das Zwischensignal entsprechend dem Ansteuerungsgrad getaktet an eine Primärwicklung eines Transformators des zweiten Wandlers angelegt werden kann. Beispielsweise kann das Phasenverschiebungssignal zum Ansteuern der Schalter einer Vollbrückenschaltung oder einer Halbbrückenschaltung einer Primärseite des zweiten Wandlers eingesetzt werden. Durch das Phasenverschiebungssignal kann somit ein Signalverlauf eines aus dem Zwischensignal erzeugten Wechselsignals gesteuert werden, das einem Transformator des zweiten Wandlers zugeführt werden kann. Somit kann das zweite Steuersignal beispielsweise zum Ansteuern eines bekannten Gleichspannungswandlers in Form eines phase-schift converters oder eines Wandlers mit galvanischer Trennung, beispielsweise eines Gegentaktflusswandlers, verwendet werden.
-
Der Schritt des Bestimmens des ersten Steuersignals kann ferner unter Verwendung des Eingangssignals des Gleichspannungswandlers und des Zwischenkreissignals ausgeführt werden. Dadurch kann das erste Steuersignal sehr genau bestimmt werden.
-
Im Schritt des Bestimmens des ersten Steuersignals kann der Sollwert für das Zwischenkreissignal unter Verwendung des Ausgangssignals, des zweiten Steuersignals und eines Sollwerts für das zweite Steuersignal bestimmt werden. Das erste Steuersignal kann unter Verwendung des Eingangssignals, des Zwischenkreissignals und des Sollwerts für das Zwischenkreissignal bestimmt werden. Somit kann beispielsweise zunächst ein Sollwert für die Zwischenkreisspannung, und anschließend ein zum Einstellen des Sollwerts für die Zwischenkreisspannung geeignetes erstes Steuersignal bestimmt werden.
-
Dabei kann im Schritt des Bestimmens des ersten Steuersignals der Sollwert für das Zwischenkreissignal basierend auf einer PI-Regelung (proportional-integrierend) bestimmt werden. Durch den I-Anteil der Regelung können beispielsweise Störeinflüsse ausgeregelt werden.
-
Im Schritt des Bestimmens des ersten Steuersignals kann das Ausgangssignal eine ausgangsseitige Last des Gleichspannungswandlers repräsentieren und das erste Steuersignal kann bestimmt werden, um den Sollwert für das Zwischenkreissignal bei steigender Last zu erhöhen und bei fallender Last zu reduzieren. Dazu kann das zum Bestimmen des ersten Steuersignals zurückgeführte Ausgangssignal beispielsweise ein Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers sein. Vorteilhafterweise kann der zweite Wandler auf diese Weise unabhängig von der ausgangsseitigen Last in einem Arbeitspunkt mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden.
-
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
-
Es wird auch eine Vorrichtung zum Regeln eines Gleichspannungswandlers mit einem ersten Wandler und einem nachgeschalteten zweiten Wandler vorgeschlagen, wobei der erste Wandler ausgebildet ist, um ein Eingangssignal des Gleichspannungswandlers abhängig von einem einstellbaren ersten Übersetzungsverhältnis des ersten Wandlers in ein Zwischenkreissignal zu wandeln und wobei der zweite Wandler ausgebildet ist, um das Zwischenkreissignal abhängig von einem zweiten einstellbaren Übersetzungsverhältnis des zweiten Wandlers in ein Ausgangssignal des Gleichspannungswandlers zu wandeln. Die Vorrichtung weist ferner die folgenden Merkmale auf:
eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines ersten Steuersignals zum Einstellen des ersten Übersetzungsverhältnisses des ersten Wandlers unter Verwendung des Ausgangssignals des Gleichspannungswandlers, um das Zwischenkreissignal auf einen von dem Ausgangssignal abhängigen Sollwert für das Zwischenkreissignal zu regeln; und
eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines zweiten Steuersignals zum Einstellen des zweiten Übersetzungsverhältnisses des zweiten Wandlers unter Verwendung des Ausgangssignals des Gleichspannungswandlers, um das Ausgangssignal auf einen Sollwert für das Ausgangssignal zu regeln.
-
Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
-
Einrichtungen der Vorrichtung können ausgebildet sein, um die Schritte des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform des beschriebenen Ansatzes umzusetzen.
-
Es wird außerdem ein Gleichspannungswandler mit einem ersten Wandler und einem nachgeschalteten zweiten Wandler vorgeschlagen, wobei der erste Wandler ausgebildet ist, um ein Eingangssignal des Gleichspannungswandlers abhängig von einem einstellbaren ersten Übersetzungsverhältnis des ersten Wandlers in ein Zwischenkreissignal zu wandeln und wobei der zweite Wandler ausgebildet ist, um das Zwischenkreissignal abhängig von einem zweiten einstellbaren Übersetzungsverhältnis des zweiten Wandlers in ein Ausgangssignal des Gleichspannungswandlers zu wandeln. Der Gleichspannungswandler weist gemäß einer Ausführungsform die oben genannte Vorrichtung zum Regeln des Gleichspannungswandlers auf. Somit kann der beschriebene Ansatz vorteilhaft zum Betreiben eines bekannten Gleichspannungswandlers eingesetzt werden.
-
Somit kann der beschriebene Ansatz auch im Zusammenhang mit bekannten Schaltungen zur Gleichspannungswandlung eingesetzt werden.
-
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild eines Gleichspannungswandlers;
-
2 ein Blockschaltbild eines Gleichspannungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
3 ein Blockschaltbild eines Gleichspannungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
4 Signalverläufe von Ausgangssignalen eines Gleichspannungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
5 Signalverläufe von Zwischensignalen und einem Steuersignal eines Gleichspannungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
6 Signalverläufe von Zwischensignalen und einem Steuersignal eines Gleichspannungswandlers; und
-
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Regeln eines Gleichspannungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
-
1 zeigt ein Blockschaltbild eines zweistufigen Gleichspannungswandlers. Der Gleichspannungswandler weist einen ersten Wandler 102 und einen zweiten Wandler 104 auf. Der erste Wandler 102 ist ausgebildet, um ein Eingangssignal 112 in ein Zwischensignal 114 zu wandeln. Der zweite Wandler 104 ist ausgebildet, um das Zwischensignal 114 in ein Ausgangssignal 116 zu wandeln. Somit ist der Gleichspannungswandler ausgebildet, um das Eingangssignal 112, beispielsweise eine Eingangsspannung in das Ausgangssignal 116, beispielsweise eine Ausgangsspannung zu wandeln.
-
Der Gleichspannungswandler weist eine erste Einrichtung 122 und eine zweite Einrichtung 124 zum Regeln des Gleichspannungswandlers auf. Die erste Einrichtung 122 ist ausgebildet, um ein erstes Steuersignal 132 zum Steuern des ersten Wandlers 102 bereitzustellen. Die zweite Einrichtung 124 ist ausgebildet, um ein zweites Steuersignal 134 zum Steuern des zweiten Wandlers 104 bereitzustellen. Die erste Einrichtung 122 ist ausgebildet, um das erste Steuersignal 132 unter Verwendung des Eingangssignals 112 des Zwischensignals 114 und eines Sollwerts 136 für das Zwischensignal bereitzustellen. Die zweite Einrichtung 124 ist ausgebildet, um das zweite Steuersignal 134 unter Verwendung des Zwischensignals 114, des Ausgangssignals 116 und eines Sollwerts 138 für das Ausgangssignal bereitzustellen.
-
2 zeigt einen zweistufigen Gleichspannungswandler mit einem ersten Wandler 102 und einem dem ersten Wandler 102 nachgeschaltetem zweiten Wandler 104. Der Gleichspannungswandler weist eine Vorrichtung 200 zum Regeln des Gleichspannungswandlers auf. Der Gleichspannungswandler ist ausgebildet, um ein Eingangssignal 112 in ein Ausgangssignal 116 zu wandeln. Das Eingangssignal 112 kann eine Eingangsspannung und das Ausgangssignal 116 kann eine Ausgangsspannung repräsentieren. Dabei kann es sich hier um Gleichspannungen handeln. Zusätzlich oder alternativ kann das Eingangssignal 112 einen Eingangstrom und das Ausgangssignal 116 einen Ausgangstrom repräsentieren. Der Gleichspannungswandler ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um eine Eingangsspannung in eine kleinere Ausgangsspannung zu wandeln.
-
Zum Wandeln des Eingangssignals 112 in das Ausgangssignal 116 ist der erste Wandler 102 ausgebildet, um das Eingangssignal 112 in ein Zwischensignal 114 zu wandeln. Der zweite Wandler 104 ist ausgebildet, um das Zwischensignal 114 in das Ausgangssignal 116 zu wandeln. Das Zwischensignal 114 kann eine Zwischenspannung und zusätzlich oder alternativ einen Zwischenstrom repräsentieren.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Wert der Eingangspannung 112 sowie ein Sollwert für die Ausgangsspannung 116 vorgegeben. Die Vorrichtung 200 ist ausgebildet, um den Gleichspannungswandler so zu regeln, dass die Ausgangsspannung 116, unabhängig von der ausgangsseitig an dem Gleichspannungswandler anliegenden Last, entsprechend dem Sollwert für die Ausgangsspannung 116 bereitgestellt wird.
-
Die Vorrichtung 200 weist eine erste Bestimmungseinrichtung 222 und eine zweite Bestimmungseinrichtung 224 auf.
-
Die erste Bestimmungseinrichtung 222 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Ausgangssignals 116, beispielsweise unter Verwendung eines die ausgangsseitige Last anzeigenden Ausgangsstromes des Gleichspannungswandlers, ein erstes Steuersignal 232 zum Steuern des ersten Wandlers 102 zu bestimmen und an einer Schnittstelle zu dem ersten Wandler 102 bereitzustellen. Das erste Steuersignal 232 ist geeignet, um ein erstes Übersetzungsverhältnis des ersten Wandlers 102 einzustellen. Das erste Übersetzungsverhältnis kann beispielsweise ein Verhältnis zwischen der Eingangsspannung 112 und der Zwischenspannung 114 definieren. Die erste Bestimmungseinrichtung 222 ist ausgebildet, um das erste Steuersignal 232 abhängig von der ausgangsseitigen Last des Gleichspannungswandlers so zu bestimmen, dass von dem ersten Wandler 102 das Zwischensignal 114 mit einem Wert bereitgestellt wird, der es ermöglicht, den zweiten Wandler 104 in einem Arbeitspunkt mit einem hohen Wirkungsgrad zu betreiben.
-
Die zweite Bestimmungseinrichtung 224 ist ausgebildet, um ein zweites Steuersignal 234 zum Steuern des zweiten Wandlers 104 zu bestimmen und an einer Schnittstelle zu dem zweiten Wandler 104 bereitzustellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die zweite Bestimmungseinrichtung 224 ausgebildet, um das zweite Steuersignal 234 unter Verwendung des Ausgangssignals 116, beispielsweise der Ausgangsspannung, zu bestimmen. Das zweite Steuersignal 234 ist geeignet, um ein zweites Übersetzungsverhältnis des zweiten Wandlers 104 bereitzustellen. Das zweite Übersetzungsverhältnis kann beispielsweise ein Verhältnis zwischen der Zwischenspannung 114 und der Ausgangsspannung 116 definieren.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das zweite Steuersignal ferner unter Verwendung des Zwischenkreissignals 114 und eines Sollwerts für das Ausgangssignal 116 bereitgestellt werden. Entsprechend kann das erste Steuersignal ferner unter Verwendung des Eingangssignals des Gleichspannungswandlers und des Zwischenkreissignals ausgeführt werden.
-
Die Steuersignale 232, 234 können als Taktsignale eingesetzt werden, um Schalteinrichtungen der Wandler 102, 104 zu betätigen. Über die Betätigung der Schalteinrichtungen können die Übertragungsverhältnisse der Wandler 102, 104 eingestellt werden.
-
3 zeigt ein Blockschaltbild eines Gleichspannungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gleichspannungswandler weist einen ersten Wandler 102 und einen nachgeschalteten zweiten Wandler 104 auf. Ferner weist der Gleichspannungswandler eine Vorrichtung 200 zum Regeln des Gleichspannungswandlers auf. Die Wandler 102, 104 sowie die Vorrichtung 200 können entsprechend dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgeführt sein.
-
Der Gleichspannungswandler ist ausgebildet, um ein Eingangssignal 112, das sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus einem elektrischen Strom I_in und einer elektrischen Spannung V_in zusammensetzt in ein Ausgangssignal 116 zu wandeln, das sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus einem elektrischen Strom I_load und einer elektrischen Spannung V_load zusammensetzt. Dabei ist der erste Wandler 102, der hier beispielhaft als eine Buck-Coverter-Schaltung ausgeführt ist, ausgebildet, um das Eingangssignal 112 in ein Zwischensignal 114 zu wandeln, das sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus einem elektrischen Strom I_middle und einer elektrischen Spannung V_middle zusammensetzt. Der zweite Wandler 104, der hier beispielhaft als eine Phase-Shift-Converter-Schaltung ausgeführt ist, ist ausgebildet, um das Zwischensignal 114 in das Ausgangssignal 116 zu wandeln.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Zwischensignal 114 einen Spannungswert V_middle auf, der niedriger ist, als der Spannungswert V_in des Eingangssignals 112 und das Ausgangssignal 116 weist einen Spannungswert V_load auf, der niedriger ist, als der Spannungswert V_middle des Zwischensignals 114.
-
Ein Verhältnis zwischen den Spannungswerten der Signale 112, 114, 116 kann über einstellbare Übersetzungsverhältnisse der Wandler 102, 104 eingestellt werden. Zum Einstellen des Übersetzungsverhältnisses des ersten Wandlers 102 wird ein erstes Steuersignal 232 über eine Ausgangsschnittstelle der Vorrichtung 200 an eine Eingangsschnittstelle des ersten Wandlers 102 bereitgestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel stellt das erste Steuersignal 232 ein PWM-Signal, also ein pulsweitenmoduliertes Signal dar. Zum Einstellen des Übersetzungsverhältnisses des zweiten Wandlers 104 wird ein zweites Steuersignal 234 über eine Ausgangsschnittstelle der Vorrichtung 200 an eine Eingangsschnittstelle des zweiten Wandlers 104 bereitgestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel stellt das zweite Steuersignal 234 ebenfalls ein PWM-Signal oder ein Phase-Shift-Signal da. Somit können die Steuersignale 232, 234 auch Übersetzungsverhältnisse der Wandler 102, 104 repräsentieren.
-
Die Vorrichtung 200 ist ausgebildet, um zum Bereitstellen des zweiten Steuersignals 234 über Schnittstellen das Zwischensignal 114, das Ausgangssignal 116 sowie einen Sollwert 341 für das Ausgangssignal, insbesondere einen Sollwert v_out* für die Ausgangsspannung v_out zu empfangen. Alternativ kann der Sollwert 341 auch fest vorgegeben oder in der Vorrichtung 200 gespeichert sein. Die Vorrichtung 200 ist ferner ausgebildet, um über Schnittstellen das Eingangssignal 112, sowie einen Sollwert 343 für das zweite Steuersignal, beispielsweise ein Signal phase-shift*, zu empfangen und zusammen mit dem Zwischensignal 114, dem Ausgangssignal 116 sowie dem zweiten Steuersignal 234 zum Bereitstellen des ersten Steuersignals 232 zu verwenden. Alternativ kann der Sollwert 343, der beispielsweise einen Sollwert für das zweite Übersetzungsverhältnis des zweiten Wandlers 104 repräsentieren kann, auch fest vorgegeben oder in der Vorrichtung 200 gespeichert sein.
-
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 200 drei Bestimmungseinrichtungen 342, 344, 346.
-
Die Bestimmungseinrichtung 342 ist ausgebildet, um das Eingangssignal 112, einen Sollwert 345 für das Zwischensignal, insbesondere einen Sollwert v_middle* für die Zwischenspannung v_middle sowie das Zwischensignal 114, beispielsweise die Zwischenspannung v_middle, zu empfangen und unter Verwendung dieser Signale 112, 114, 345 das erste Steuersignal 232 zu erzeugen und bereitzustellen.
-
Die Bestimmungseinrichtung 344 ist ausgebildet, um den Sollwert 343 für das zweite Steuersignal, das Ausgangssignal 116, beispielsweise den Ausgangsstrom I_load und das zweite Steuersignal 234 zu empfangen und unter Verwendung dieser Signale 116, 234, 343 den Sollwert 345 für das Zwischensignal zu erzeugen und bereitzustellen.
-
Die Bestimmungseinrichtung 346 ist ausgebildet, um das Zwischensignal 114, beispielsweise die Zwischenspannung V_middle, den Sollwert 341 für das Ausgangssignal und das Ausgangssignal 116, beispielsweise die Ausgangsspannung V_load, zu empfangen und unter Verwendung dieser Signale 114, 116, 341 das zweite Steuersignal 234 zu erzeugen und bereitzustellen.
-
Die Einrichtungen des Gleichspannungswandlers sind über geeignete Leitungen zum Übertragen der Signale 112, 114, 116, 232, 234, 345 miteinander gekoppelt.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bestimmungseinrichtung 344 als eine Feed-Forward-Steuerung + PI-Regelung, also als eine Vorsteuerung mit einer PI-Regelung ausgeführt.
-
Wie anhand der 2 und 3 beschrieben, kann sowohl die Ausgangsspannung V_load des Ausgangssignals 116 als auch die Zwischenspannung V_middle des Zwischensignals 114 separat geregelt werden. Dabei wird der Sollwert 345 für die Zwischenspannung V_middle in Abhängigkeit des aktuellen Laststromes I_load berechnet.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel gilt dabei für den zweiten Wandler 104, beispielsweise einen Phase-Shift Converters, dass je höher sein Aussteuerungsgrad (phase-shift) ist, desto höher sein Wirkungsgrad ist. Bei gegebenen Ein- und Ausgangsspannungen V_in, V_load ist der Aussteuerungsgrad des zweiten Wandlers 104 abhängig von der Last am Ausgang des Gleichspannungswandlers und somit am Ausgang des zweiten Wandlers 104. Bei hoher Last steigt der Ansteuerungsgrad, bei niedriger Last sinkt der Ansteuerungsgrad.
-
Wird die Zwischenkreisspannung V_middle auf einen festen Sollwert geregelt, darf die Zwischenkreisspannung V_middle eine durch die Parameter der Schaltung 102, 104 gegebene Schwelle nicht unterschreiten. Ansonsten reicht die Zwischenkreisspannung V_middle nicht aus, um bei voller Last selbst bei maximaler Aussteuerung des zweiten Wandlers 104 die geforderte Ausgangsspannung V_load zu liefern.
-
Bei niedriger Last wirkt sich ein solcher fester Sollwert für die Zwischenkreisspannung V_middle negativ aus, da der Aussteuerungsgrad sinkt, und somit auch der Wirkungsgrad der Schaltung.
-
Die anhand der 2 und 3 beschriebene Regelstruktur behebt dies, indem beispielsweise ein dritter Regler 344 den Sollwert 345 für die Zwischenkreisspannung liefert. Steigt die Last am Ausgang des zweiten Wandlers 104, geht dieser Sollwert 345 nach oben, es wird also die Zwischenkreisspannung des Zwischenkreissignals 114 erhöht. Sinkt die Last dagegen, wird der Sollwert 345 für die Zwischenkreisspannung verringert.
-
Der Regler 344 wird als PI-Regler mit Vorsteuerung ausgeführt. Die Vorsteuerung basiert auf den Parametern der Schaltung. Ungenauigkeiten, die unter anderem Bauteilstreuung und Temperatureinflüsse verursachen können, werden durch den I-Anteil des PI-Reglers ausgeregelt.
-
Der beschriebene Ansatz sichert einerseits eine schnelle und stabile Regelung der Ausgangsspannung V_load des Gleichspannungswandlers und andererseits einen optimalen Wirkungsgrad, auch im Teillastbereich.
-
4 zeigt Signalverläufe eines Ausgangssignals 116 eines Gleichspannungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich beispielsweise um den anhand von 3 beschriebenen Gleichspannungswandler handeln. Gezeigt ist eine Ausgangsspannung V_load 451 in Volt und ein Ausgangsstrom I_load 453 in Ampere, aufgetragen über die Zeit in Millisekunden. Gezeigt ist ein Lastwechsel von 140A auf 20A innerhalb einer Zeitspanne von 10ms. Aufgrund des Lastwechsels ändert sich der Ausgangsstrom I_load 453, wogegen die Ausgangsspannung V_load 451 nahezu konstant bei 28V bleibt.
-
5 Signalverläufe einer Zwischenspannung V_middle 555 eines Zwischensignals, eines Sollwerts 345 für die Zwischenspannung und einer Phasenverschiebung 234 als Ansteuersignal des zweiten Wandlers eines Gleichspannungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich beispielsweise um den anhand von 3 beschriebenen Gleichspannungswandler handeln. Aufgrund des in 4 gezeigten Lastwechsels, beginnend bei einem Zeitpunkt von in etwa 40ms, wird der bis zu dem Lastwechsel konstant bei ca. 445V liegende Sollwert 345 für die Zwischenspannung annähernd linear abgeregelt, bis auf einen Wert von ca. 420V bei 250ms. Die Zwischenspannung V_middle 555 folgt dem Sollwert 345. Die bis zu dem Lastwechsel konstant bei ca. 0,99 liegende Phasenverschiebung 234 fällt während des Lastwechsels bis auf ca. 0,92 ab und wird anschließend wieder bis auf den Ausgangswert hoch geregelt.
-
Somit wird aufgrund des sinkenden Ausgangsstroms zunächst das Übersetzungsverhältnis des zweiten Wandlers reduziert. Nach und nach wird anschließend die eingangseitig am zweiten Wandler anliegende Zwischenspannung 555 reduziert, um zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Gleichspannungswandlers, das Übersetzungsverhältnis des zweiten Wandlers wieder anheben zu können.
-
6 zeigt Signalverläufe einer Phasenverschiebung 634 und einer Zwischenspannung V_middle 655 eines Zwischensignals bei einem Gleichspannungswandler ohne lastabhängige Regelung des Zwischensignals, wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist.
-
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Regeln eines Gleichspannungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann beispielsweise von Einrichtungen einer Vorrichtung zum Regeln eines Gleichspannungswandlers umgesetzt werden, wie es anhand der 2 und 3 gezeigt ist.
-
Das Verfahren weist einen Schritt 701 auf, in dem ein erstes Steuersignal zum Einstellen des Übersetzungsverhältnisses eines ersten Wandlers eines zweistufigen Wandlers bestimmt wird, und zwar unter Verwendung des Ausgangssignals des zweiten Wandlers des zweistufigen Wandlers. In einem Schritt 703 kann ein zweites Steuersignal bestimmt werden, um das Übersetzungsverhältnis des zweiten Wandlers einzustellen. Dies kann unter Verwendung des Ausgangssignals des zweiten Wandlers erfolgen.
-
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
-
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
-
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 102
- erster Wandler
- 104
- zweiter Wandler
- 112
- Eingangssignal
- 114
- Zwischensignal
- 116
- Ausgangssignal
- 122
- erste Einrichtung zum Regeln des Gleichspannungswandlers
- 124
- zweite Einrichtung zum Regeln des Gleichspannungswandlers
- 132
- erstes Steuersignal
- 134
- zweites Steuersignal
- 136
- Sollwert für das Zwischensignal
- 138
- Sollwert für das Ausgangssignal
- 200
- Vorrichtung zum Regeln eines Gleichspannungswandlers
- 222
- erste Bestimmungseinrichtung
- 224
- zweite Bestimmungseinrichtung
- 232
- erstes Steuersignal
- 234
- zweites Steuersignal
- 341
- Sollwert für das Ausgangssignal
- 342
- erste Bestimmungseinrichtung
- 343
- Sollwert für das zweite Steuersignal
- 344
- zweite Bestimmungseinrichtung
- 345
- Sollwert für das Zwischenkreissignal
- 346
- dritte Bestimmungseinrichtung
- 451
- Ausgangsspannung
- 453
- Ausgangsstrom
- 555
- Zwischenspannung
- 634
- Phasenverschiebung
- 655
- Zwischenspannung
- 701
- Schritt des Bestimmens
- 703
- Schritt des Bestimmens
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
