DE102014204549A1 - Control method for a DC-DC converter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für einen DC-DC-Konverter, umfassend wenigstens ein Schaltelement (S1), welches mittels einer Steuereinrichtung (STR) mit einem veränderbaren Tastverhältnis (νT) zyklisch ein- und ausgeschaltet wird, wobei eine Eingangsspannung (Uein) in eine Ausgangsspannung (Uaus) umgewandelt wird, indem durch Auf- und Abmagnetisieren einer Induktivität (L1) ein Kondensators (C2) aufgeladen wird. Dabei wird der Steuereinrichtung (STR) für ein Tastverhältnis (νT) von 0,5 eine maximale Schaltfrequenz (fmax) vorgegeben, wobei bei einem höheren oder einem niedrigeren Tastverhältnis (νT) die Schaltfrequenz (f) in einem vorgegebenen Ausmaß soweit herabgesetzt wird, dass weiterhin eine Stromwelligkeit in der Induktivität (L1) unterhalb eines vorgegeben Grenzwertes bleibt. Mit dieser erfindungsgemäßen Maßnahme wird auf einfache Weise für DC-DC-Konverter eine Wirkungsgradverbesserung herbeigeführt.The invention relates to a control method for a DC-DC converter, comprising at least one switching element (S1), which is switched on and off cyclically by means of a control device (STR) with a variable duty cycle (νT), wherein an input voltage (Uein) in a Output voltage (Uaus) is converted by a capacitor (C2) is charged by up and Abmagnetisieren an inductance (L1). In this case, the control device (STR) is given a maximum switching frequency (fmax) for a pulse duty factor (νT) of 0.5, wherein at a higher or a lower pulse duty factor (νT) the switching frequency (f) is reduced to a predetermined extent to such an extent Furthermore, a current ripple in the inductance (L1) remains below a predetermined limit. With this measure according to the invention an efficiency improvement is brought about in a simple manner for DC-DC converter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für einen DC-DC-Konverter, umfassend wenigstens ein Schaltelement, welches mittels einer Steuereinrichtung mit einem veränderbaren Tastverhältnis zyklisch ein- und ausgeschaltet wird, wobei eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umgewandelt wird, indem durch Auf- und Abmagnetisieren einer Induktivität ein Kondensators geladen wird. Zudem betrifft die Erfindung einen entsprechenden DC-DC-Konverter. The invention relates to a control method for a DC-DC converter, comprising at least one switching element which is cyclically switched on and off by means of a variable duty cycle controller, wherein an input voltage is converted into an output voltage by up and down magnetizing an inductance a capacitor is charged. In addition, the invention relates to a corresponding DC-DC converter.

DC-DC-Konverter sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt und dienen der Umwandlung einer DC-Eingangsspannung in eine höhere oder tiefere DC-Ausgangsspannung. Man unterscheidet deshalb zwei Grundfunktionen, nämlich einen Hochsetzmodus und einen Tiefsetzmodus. Zur Einstellung einer gewünschten Ausgangsspannung wird wenigstens ein Schaltelement mit einem entsprechenden Tastverhältnis angesteuert. Dieses Tastverhältnis bestimmt das Verhältnis der Einschaltdauer zu Ausschaltdauer bzw. Periodendauer während eines Schaltzyklus. DC-DC converters are known in various designs and serve to convert a DC input voltage to a higher or lower DC output voltage. There are therefore two basic functions, namely a boost mode and a step down mode. To set a desired output voltage, at least one switching element is driven with a corresponding duty cycle. This duty cycle determines the ratio of the duty cycle to the stop duration or period during a switching cycle.

Zur Auslegung der einzelnen Komponenten eines DC-DC-Konverters müssen verschiedene Vorgaben berücksichtigt werden. Eine dieser Vorgaben betrifft einen zulässigen Maximalwert für eine Stromwelligkeit (Stromrippel), die durch die Funktionsweise des Konverters in der Induktivität entsteht und auch eine Spannungswelligkeit am Kondensator zur Folge hat. Different specifications have to be taken into account when designing the individual components of a DC-DC converter. One of these specifications concerns a permissible maximum value for a current ripple (current ripple), which arises due to the mode of operation of the converter in the inductance and also results in a voltage ripple on the capacitor.

Eine wesentliche Größe für die Dimensionierung des Konverters ist die Schaltfrequenz, also die Anzahl der durchgeführten Schaltzyklen pro Zeiteinheit. Je höher die Schaltfrequenz gewählt wird, umso weniger Energie muss pro Schaltzyklus im Konverter gespeichert werden, damit in Summe dieselbe Energie übertragen wird. Eine höhere Schaltfrequenz hat jedoch auch höhere Schaltverluste zur Folgt und beeinflusst somit den Wirkungsgrad negativ. An essential factor for the dimensioning of the converter is the switching frequency, ie the number of switching cycles performed per unit of time. The higher the switching frequency is chosen, the less energy must be stored in the converter per switching cycle, so that in total the same energy is transferred. However, a higher switching frequency also has higher switching losses and thus adversely affects the efficiency.

In der Praxis bestimmt sich die Schaltfrequenz durch die Verfügbarkeit geeigneter Schaltelemente in Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten. Zu Berücksichtigen sind hierbei insbesondere die auftretenden Ströme und Spannungen. In practice, the switching frequency determined by the availability of suitable switching elements depending on the particular circumstances. To be considered here are in particular the occurring currents and voltages.

Durch Abwägung all dieser Aspekte ergibt sich eine maximal mögliche Schaltfrequenz, welche dann für den gesamten Betriebsbereich gilt. By weighing all these aspects, a maximum possible switching frequency results, which then applies to the entire operating range.

Eine im Konverter angeordnete Induktivität wird auf Basis der festgelegten Schaltfrequenz und der maximal zulässigen Stromwelligkeit in der Induktivität sowie der daraus resultierenden Spannungswelligkeit am Konverterausgang dimensioniert. Im Blickpunkt steht dabei der Betriebspunkt mit der größten zu erwartenden Welligkeit, um über den gesamten Betriebsbereich unterhalb des zulässigen Maximalwerts zu bleiben. An inductance arranged in the converter is dimensioned on the basis of the fixed switching frequency and the maximum permissible current ripple in the inductance and the resulting voltage ripple at the converter output. The focus is on the operating point with the greatest ripple expected, in order to remain below the permissible maximum value over the entire operating range.

Die Stromwelligkeit verschwindet bei einer Angleichung der Eingangsspannung an die Ausgangspannung. Am größten ist die Stromwelligkeit hingegen bei Verdoppelung oder Halbierung der Ausgangsspannung, also wenn der Konverter mit einem Tastverhältnis gleich 0,5 arbeitet. The current ripple disappears when the input voltage adapts to the output voltage. By contrast, the current ripple is greatest when the output voltage is doubled or halved, ie when the converter operates at a duty factor of 0.5.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Steuerungsverfahren der eingangs genannten Art und einen entsprechenden DC-DC-Konverter eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben. The invention has for its object to provide for a control method of the type mentioned and a corresponding DC-DC converter an improvement over the prior art.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß 8. According to the invention, this object is achieved by a method according to claim 1 and an arrangement according to FIG.

Dabei wird der Steuereinrichtung für ein Tastverhältnis von 0,5 eine maximale Schaltfrequenz vorgegeben, wobei bei einem höheren oder einem niedrigeren Tastverhältnis die Schaltfrequenz in einem vorgegebenen Ausmaß soweit herabgesetzt wird, dass weiterhin eine Stromwelligkeit in der Induktivität unterhalb eines vorgegeben Grenzwertes bleibt. Die maximale Schaltfrequenz kommt somit nur in dem Bereich des Tastverhältnisses zum Einsatz, welcher die größte Stromwelligkeit in der Induktivität bewirkt. Das ist im Tiefsetzmodus bei einer Halbierung der Ausgangspannung gegenüber der Eingangsspannung und im Hochsetzmodus bei einer Verdoppelung der Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung der Fall. Das Tastverhältnis beträgt dabei in einem kontinuierlichen (nicht lückenden) Betrieb des DC-DC-Konverters 0,5. Geht der DC-DC-Konverter aufgrund eines geringen Ausgangsstromes in einen diskontinuierlichen (lückenden) Betrieb über, besteht dieser Zusammenhang nicht mehr, allerdings sinkt dann bei gleichbleibender Schaltfrequenz mit dem von 0,5 abweichenden Tastverhältnis auch die Stromwelligkeit in der Induktivität. Die Erfindung macht sich diesen Umstand zu Nutze. Anstatt eine niedrigere Stromwelligkeit zuzulassen, wird die Schaltfrequenz herabgesetzt. Infolgedessen steigt der Wirkungsgrad, weil die Anzahl der verlustbehafteten Schaltvorgänge sinkt. In this case, the control device for a duty cycle of 0.5 is set a maximum switching frequency, wherein at a higher or a lower duty cycle, the switching frequency is reduced to a predetermined extent so far that continues to remain a current ripple in the inductance below a predetermined limit. The maximum switching frequency is thus used only in the range of the duty cycle, which causes the largest current ripple in the inductance. This is the case in the step-down mode with a halving of the output voltage with respect to the input voltage and in the step-up mode with a doubling of the output voltage with respect to the input voltage. The duty cycle is in a continuous (non-lopsided) operation of the DC-DC converter 0.5. If the DC-DC converter goes into a discontinuous operation due to a low output current, this relationship no longer exists, but then the current ripple in the inductance also drops when the switching frequency remains the same with the duty cycle deviating from 0.5. The invention makes use of this circumstance. Instead of allowing a lower current ripple, the switching frequency is lowered. As a result, the efficiency increases because the number of lossy switching operations decreases.

Somit zielt die erfindungsgemäße Maßnahme darauf ab, für DC-DC-Konverter auf einfache Weise eine Wirkungsgradverbesserung herbeizuführen. Besonders Vorteilhaft ist diese Wirkung für DC-DC-Wandler, die nur zeitweise die Eingangsspannung auf die halbe Ausgangsspannung tiefsetzten oder auf die doppelte Ausgangspannung hochsetzten. Nur in diesem zeitweisen Betrieb wird dann die maximale Schaltfrequenz vorgegeben, um die Stromwelligkeit in der Induktivität auf ein vorgegeben Maß zu begrenzen. In anderen Betriebspunkten, die ein anderes Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung betreffen, wird die Wirkungsgradverbesserung infolge der herabgesetzten Schaltfrequenz wirksam. Thus, the measure according to the invention aims to bring about an efficiency improvement for DC-DC converters in a simple manner. This effect is particularly advantageous for DC-DC converters, which only temporarily reduced the input voltage to half the output voltage or increased it to twice the output voltage. Only in this temporary operation is then given the maximum switching frequency to the current ripple in the inductance to a predetermined amount limit. In other operating points, which relate to a different ratio of input voltage to output voltage, the efficiency improvement due to the reduced switching frequency is effective.

In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung wird die Ausgangspannung auf einen konstanten Wert geregelt, wobei für die Ausgangsspannung in einer zeitlichen Abfolge unterschiedliche Sollwerte vorgegeben werden. Das ist bei verschiedenen Anwendungen sinnvoll, beispielsweise beim Aufladen einer Batterie. Sobald dem DC-DC-Konverter eine Ausgangsspannung vorgegeben wird, die nicht der halben oder doppelten Eingangsspannung entspricht, steigt der Wirkungsgrad infolge der Schaltfrequenzherabsetzung. In an advantageous embodiment of the invention, the output voltage is regulated to a constant value, wherein for the output voltage in a time sequence different setpoints are specified. This is useful in various applications, such as charging a battery. As soon as the DC-DC converter is given an output voltage which does not correspond to half or twice the input voltage, the efficiency due to the switching frequency reduction increases.

Eine einfache Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für einen Bereich um das Tastverhältnis von 0,5 die maximale Schaltfrequenz vorgegeben wird und dass eine verringerte Schaltfrequenz vorgegeben wird, sobald für einen festgelegten Parameter ein unterer Schwellwert unterschritten oder ein oberer Schwellwert überschritten wird. Es sind also drei Bereiche vorgesehen, wobei im mittleren Bereich um das Tastverhältnis 0,5 ein höherer Wert der Schaltfrequenz und in den beiden anderen Bereichen ein niedrigerer Wert der Schaltfrequenz angewendet wird. A simple development of the invention provides that for a range around the duty cycle of 0.5, the maximum switching frequency is set and that a reduced switching frequency is specified as soon as a defined threshold falls below a lower threshold or an upper threshold is exceeded. Thus, three regions are provided, with a higher value of the switching frequency being applied in the middle region around the duty cycle 0.5, and a lower value of the switching frequency in the other two regions.

In einer Ausprägung wird der Steuereinrichtung als Parameter das Tastverhältnis vorgegeben, wobei als unterer Schwellwert ein Tastverhältnis kleiner 0,5 und als oberer Schwellwert ein Tastverhältnis größer 0,5 vorgegeben wird. In one embodiment, the control device is preset as a parameter, the duty cycle, wherein as the lower threshold value a duty cycle is less than 0.5 and the upper threshold value, a duty cycle is greater than 0.5.

Eine andere Ausprägung sieht vor, dass der Steuereinrichtung als Parameter ein Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung vorgegeben wird und dass als unterer Schwellwert und als oberer Schwellwert jeweils ein bestimmtes Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung vorgegeben wird. Another embodiment provides that the control device is given as a parameter a ratio of input voltage to output voltage and that in each case a specific ratio of input voltage to output voltage is specified as the lower threshold value and the upper threshold value.

Günstigerweise wird dabei die Schaltfrequenzänderung mittels einer Zweipunktregelung durchgeführt. Damit ist mit einfachen Mitteln eine Anpassung der Schaltfrequenz möglich. Conveniently, the switching frequency change is carried out by means of a two-step control. This is an easy adaptation of the switching frequency possible.

Für Anwendungen mit einem weiten Betriebsbereich und mehreren gleichwertigen Betriebspunkten ist es von Vorteil, wenn der Steuereinrichtung die Schaltfrequenz in Abhängigkeit einer maximal zulässigen Stromwelligkeit sowie in Abhängigkeit der momentanen Eingangsspannung und der momentanen Ausgangsspannung vorgegeben wird. Eine Herabsetzung der Schaltfrequenz erfolgt dann nicht erst beim Erreichen einer Schwelle, sondern laufend in Abhängigkeit der genannten Parameter. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Nutzen der Erfindung in jedem Betriebspunkt gegeben ist, außer bei genauer Halbierung oder Verdoppelung der Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung. For applications with a wide operating range and multiple equivalent operating points, it is advantageous if the control device, the switching frequency in response to a maximum allowable current ripple and in dependence of the instantaneous input voltage and the instantaneous output voltage is specified. A reduction of the switching frequency is then not only when reaching a threshold, but continuously in dependence of the mentioned parameters. In this way it is ensured that the benefit of the invention is given at each operating point, except when exactly halving or doubling the output voltage with respect to the input voltage.

Ein erfindungsgemäßer DC-DC-Konverter umfasst wenigstens ein Schaltelement, welches mittels einer Steuereinrichtung angesteuert ist, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung eines der zuvor genannten Verfahren eingerichtet ist. Dabei kann es sich um einen Hochsetzsteller, einen Tiefsetzsteller, einen Hoch-Tiefsetzsteller mit Einzelschalter oder einen Hoch-Tiefsetzsteller in H-Brücken Topologie handeln, und zwar sowohl in sogenannter interleaved oder noninterleaved Ausführung. A DC-DC converter according to the invention comprises at least one switching element which is controlled by means of a control device, wherein the control device is set up to carry out one of the aforementioned methods. This can be a boost converter, a buck converter, a high-buck converter with single switch or a high-buck converter in H-bridge topology, both in so-called interleaved or noninterleaved version.

In einer Weiterbildung ist in der Steuereinrichtung eine Zweipunktregelung eingerichtet, welche die Schaltfrequenz in Abhängigkeit des Tastverhältnisses zwischen zwei vorgegebenen Werten umschaltet. In a development, a two-point control is set up in the control device, which switches the switching frequency as a function of the duty cycle between two predetermined values.

Alternativ dazu ist vorgesehen, dass in der Steuereinrichtung eine Zweipunktregelung eingerichtet ist, welche die Schaltfrequenz in Abhängigkeit der Eingangsspannung und/oder der Ausgangsspannung zwischen zwei vorgegebenen Werten umschaltet. Alternatively, it is provided that in the control device, a two-step control is set, which switches the switching frequency in dependence of the input voltage and / or the output voltage between two predetermined values.

Eine andere vorteilhafte Ausprägung ist gegeben, wenn die Steuereinrichtung mit einer Speichereinheit verbunden ist, in der zu unterschiedlichen Werten der Eingangsspannung und/oder der Ausgangsspannung zugeordnete Werte für die Schaltfrequenz abgespeichert sind. Die Steuereinrichtung gleicht dann laufend den momentanen Wert des betreffenden Parameters mit den in der Speichereinheit abgespeicherten Werten ab und stellt die Schaltfrequenz entsprechend ein. Another advantageous embodiment is provided if the control device is connected to a memory unit in which values for the switching frequency assigned to different values of the input voltage and / or the output voltage are stored. The control device then continuously compares the instantaneous value of the respective parameter with the values stored in the memory unit and adjusts the switching frequency accordingly.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Steuereinrichtung einen Mikrocontroller umfasst, der in Abhängigkeit der Eingangsspannung und/oder der Ausgangsspannung laufend die minimal mögliche Schaltfrequenz errechnet. Diese Ausprägung liefert die genaueste Anpassung der Schaltfrequenz an die gegebenen Umstände und ist zielführend für DC-DC-Konverter mit vielen unterschiedlichen Betriebspunkten. An advantageous development provides that the control device comprises a microcontroller which continuously calculates the minimum possible switching frequency as a function of the input voltage and / or the output voltage. This characteristic provides the most accurate adaptation of the switching frequency to the given circumstances and is expedient for DC-DC converter with many different operating points.

Von Vorteil ist die Erfindung für einen DC-DC-Konverter, welcher als bidirektionaler Konverter ausgebildet ist. The invention is advantageous for a DC-DC converter, which is designed as a bidirectional converter.

Auch eine sogenannte interleaved Ausführung ist sehr vorteilhaft, weil diese bereits eine Reduktion der sich ergebenen Stromwelligkeit im Kondensator bewirkt. Dabei sind im Konverter zwei Induktivitäten vorgesehen, die mittels geeigneter Schalteransteuerung gegengleich aufgeladen und entladen werden. Die Stromwelligkeit im Kondensator reduziert sich, weil sich die Stromwelligkeiten der beiden Indutkivitäten je nach Tastverhältnis gegenseitig mehr oder weniger aufheben. Bei gleicher Vorgabe für die zulässige Stromwelligkeit im Kondensator ermöglicht somit eine interleaved Ausführung eine geringere Schaltfrequenz gegenüber einer noninterleaved Ausführung. Die erfindungsgemäße Herabsetzung der Schaltfrequenz führt dann zu einer weiteren Wirkungsgraderhöhung aufgrund der reduzierten Häufigkeit von Schaltverlusten. Also, a so-called interleaved design is very advantageous because it already causes a reduction of the resulting current ripple in the capacitor. In this case, two inductances are provided in the converter, charged by means of suitable switch control gegengleich and be discharged. The current ripple in the capacitor is reduced because the current ripples of the two Indutkivitäten cancel each other more or less depending on the duty ratio. Given the same specification for the permissible current ripple in the capacitor, an interleaved design thus allows a lower switching frequency compared to a non-interleaved design. The reduction of the switching frequency according to the invention then leads to a further increase in efficiency due to the reduced frequency of switching losses.

Zudem ist es sinnvoll, einen erfindungsgemäßen DC-DC-Konverter zum Laden einer Batterie zu verwenden. Gerade in diesem Fall liegt die Eingangsspannung meist nahe an der Ausgangspannung. Nur während einer relativ kurzen Zeitspanne des Ladevorgangs wird die Stromwelligkeit kritisch, nämlich wenn die Ausgangsspannung entweder doppelt oder halb so groß ist wie die Eingangsspannung. In addition, it makes sense to use a DC-DC converter according to the invention for charging a battery. Especially in this case, the input voltage is usually close to the output voltage. Only during a relatively short period of charging does the current ripple become critical, namely when the output voltage is either twice or half the input voltage.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung: The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. In a schematic representation:

1 Hoch-Tiefsetzsteller in H-Brücken Topologie in interleaved Ausführung 1 High-low converter in H-bridges Topology in interleaved version

2 Frequenzverlauf im Tiefsetzmodus bei konstanter Stromwelligkeit in der Induktivität 2 Frequency response in the step-down mode with constant current ripple in the inductance

Grundsätzlich ist die Erfindung für diverse Ausführungen von DC-DC-Konvertern einsetzbar. Besonders sinnvoll ist sie für einen bidirektionalen DC-DC-Konverter in interleaved Ausprägung, wie in 1 gezeigt. Dabei werden insgesamt acht Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8 mittels einer Steuereinrichtung STR angesteuert. Jeweils vier Schaltelemente S1, S2, S3, S4 bzw. S5, S6, S7, S8 bilden entweder eine Eingangs- oder ein Ausgangs-H-Brücke. Entsprechend ist eine an einem zugeordneten Kondensator C1 bzw. C2 anliegende Spannung U1, U2 als Eingangs- oder Ausgangsspannung zu betrachten. In principle, the invention can be used for various types of DC-DC converters. It is particularly useful for a bidirectional DC-DC converter in interleaved form, as in 1 shown. In this case, a total of eight switching elements S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8 are controlled by means of a control device STR. Four switching elements S1, S2, S3, S4 or S5, S6, S7, S8 each form either an input or an output H-bridge. Accordingly, a voltage applied to an associated capacitor C1 or C2 voltage U1, U2 is to be regarded as an input or output voltage.

Die so gebildeten beiden Konverterhälften sind über zwei Induktivitäten L1, L2 und ein gemeinsames Bezugspotenzial B miteinander verbunden. The two converter halves thus formed are connected to each other via two inductors L1, L2 and a common reference potential B.

Im Folgenden wird die Funktionsweise kurz erläutert, wobei die in 1 links eingezeichnete Spannung U1 als Eingangsspannung Uein und die rechts eingezeichnete Spannung U2 als Ausgangsspannung Uaus festgelegt ist. In the following, the mode of operation is briefly explained, with the in 1 left drawn voltage U1 as input voltage U a and the right drawn voltage U2 as an output voltage U out is fixed.

Im Tiefsetzmodus wird die erste Induktivität L1 über das erste Schaltelement S1 der Eingangs-H-Brücke aufmagnetisiert. Konkret ist das erste Schaltelement S1 während des Aufmagnetisierens eingeschaltet und das zweite Schaltelement S2 abgeschaltet. Während eines Abmagnetisierungsvorgangs der ersten Induktivität L1 wechseln diese Schaltzustände. Bei Nutzung der parasitären Diode des zweiten Schaltelements S2 kann dieses auch dauerhaft abgeschaltet bleiben. Das zwischen erster Induktivität L1 und Ausgangsspannung Uaus angeordnete fünfte Schaltelement S5 ist immer eingeschaltet. Das sechste Schaltelemente S6 bleibt im Tiefsetzmodus bei der angenommen Energieflussrichtung immer ausgeschaltet und kommt nur bei umgekehrter Energieflussrichtung oder im Hochsetzmodus zum Einsatz. In the step-down mode, the first inductance L1 is magnetized via the first switching element S1 of the input H-bridge. Specifically, the first switching element S1 is turned on during the magnetization and the second switching element S2 is turned off. During a Abmagnetisierungsvorgangs the first inductance L1 change these switching states. When using the parasitic diode of the second switching element S2 this can remain switched off permanently. The between the first inductor L1 and the output voltage U out arranged fifth switching element S5 is always turned on. The sixth switching elements S6 remains in the Tiefsetzmodus in the assumed power flow direction always off and is used only in reverse power flow direction or in the boost mode.

Derselbe Vorgang wird für die zweite Induktivität L2 mittels der übrigen Schaltelemente S3, S4, S7, S8 durchgeführt, wobei die beiden Indutkivitäten L1, L2 zeitlich versetzt auf- und abmagnetisiert werden. Im Kondensator C2 stellt sich eine Stromwelligkeit ein, die der Differenz der Stromwelligkeit der einen Induktivität L1 und der Stromwelligkeit der anderen Induktivität L2 entspricht. The same process is carried out for the second inductance L2 by means of the other switching elements S3, S4, S7, S8, wherein the two Indutkivitäten L1, L2 are offset in time and demagnetized. In the capacitor C2, a current ripple sets, which corresponds to the difference of the current ripple of one inductance L1 and the current ripple of the other inductance L2.

Im Hochsetzmodus erfolgt das Aufmagnetisieren der ersten Induktivität L1 mittels des taktenden sechsten Schaltelements S6. Das fünfte Schaltelement S5 taktet entweder gegengleich oder bleibt bei Nutzung der parasitären Diode abgeschaltet. Des Weiteren bleibt das erste Schaltelement S1 dauerhaft eingeschaltet und das zweite Schaltelement S2 dauerhaft ausgeschaltet. In Hochsetzmodus the magnetization of the first inductance L1 by means of the clocking sixth switching element S6 takes place. The fifth switching element S5 clocks either equal to or remains switched off when using the parasitic diode. Furthermore, the first switching element S1 remains permanently switched on and the second switching element S2 is switched off permanently.

Auch im Hochsetzmodus erfolgt der beschriebene Vorgang zeitlich versetzt für die zweite Induktivität L2 mittels der übrigen Schaltelemente S3, S4, S7, S8. Even in the high-set mode, the described process takes place offset in time for the second inductance L2 by means of the other switching elements S3, S4, S7, S8.

Die Schaltfrequenz f, mit der die taktenden Schaltelemente S1, S2, S3, S4 bzw. S6, S5, S7, S8 angesteuert werden, richtet sich nach der zulässigen Stromwelligkeit in der jeweiligen Induktivität L1, L2. Bei gleichbleibender Schaltfrequenz f wäre diese Stromwelligkeit dann am größten, wenn die Ausgangsspannung Uaus im Tiefsetzmodus halb so groß und im Hochsetzmodus doppelt so groß wie die Eingangsspannung Uein ist. Das Tastverhältnis νT, welches die Einschaltdauer des jeweiligen Schaltelements im Bezug auf die Periodendauer angibt, ist in diesem Fall gleich 0,5. Das gilt jedenfalls für einen kontinuierlichen (nichtlückenden) Strom in der jeweiligen Induktivität L1, L2. The switching frequency f, with which the clocking switching elements S1, S2, S3, S4 or S6, S5, S7, S8 are controlled, depends on the permissible current ripple in the respective inductance L1, L2. F at a constant switching frequency of this current ripple would be greatest when the output voltage U out is half the size in the buck mode and boost mode twice as big a as the input voltage U. The duty cycle ν T , which indicates the duty cycle of the respective switching element with respect to the period, is in this case equal to 0.5. This applies in any case for a continuous (non-leaking) current in the respective inductance L1, L2.

Sobald das Tastverhältnis νT kleiner oder größer 0,5 wird, kann die Schaltfrequenz f herabgesetzt werden, ohne die Stromwelligkeit in der jeweiligen Induktivität L1, L2 zu erhöhen. In einer einfachen Ausprägung geschieht dies durch Vorgabe einer unteren und einer oberen Schwelle. Als Parameter dient dabei entweder das Tastverhältnis νT oder das Verhältnis von Eingangsspannung Uein zu Ausgangsspannung Uaus. As soon as the duty cycle ν T becomes smaller or larger than 0.5, the switching frequency f can be lowered without increasing the current ripple in the respective inductance L1, L2. In a simple form, this is done by specifying a lower and an upper threshold. As a parameter either serves the duty ratio ν T or the ratio of input voltage U to the output voltage U out.

In der Steuereinrichtung STR ist zu diesem Zweck beispielsweise eine Zweipunktregelung eingerichtet. Alternativ dazu greift die Steuereinrichtung STR auf eine Speichereinheit zu, in der einzelnen Parameterwerten unterschiedliche Schaltfrequenzen f zugeordnet sind. Sobald ein solcher abgespeicherter Parameterwert erreicht wird, etwa durch Vorgabe einer neuen Ausgangsspannung Uaus, wird der Steuereinrichtung STR die entsprechende Schaltfrequenz f vorgegeben. In the control device STR, for example, a two-point control is set up for this purpose. Alternatively, the control device STR accesses a memory unit in which individual switching frequencies f are assigned to individual parameter values. Once such parameter of stored value is reached, such as by specifying a new output voltage U out, the STR controller is given the appropriate switching frequency f.

Anhand eines einfachen, nicht dargestellten noninterleave Konverters wird nun eine weitere Ausprägung der Erfindung beschrieben. Dabei verfügt die Steuereinrichtung STR über einen Mikroprozessor, der anhand vorgegebener Istwerte die kleinstmögliche Schaltfrequenz f errechnet, um die maximal zulässige Stromwelligkeit in der Induktivität einzuhalten. A further embodiment of the invention will now be described with reference to a simple non-interleaved converter (not shown). In this case, the control device STR has a microprocessor, which calculates the smallest possible switching frequency f on the basis of predetermined actual values in order to comply with the maximum permissible current ripple in the inductance.

Folgende Variablen sind zur Errechnung der Schaltfrequenz f maßgeblich:

L
Wert der Induktivität [H]
∆I
maximal zulässige Stromwelligkeit [A]
Uein
Eingangsspannung [V]
Uaus
Ausgangsspannung [V]
The following variables are decisive for the calculation of the switching frequency f:
L
Value of inductance [H]
.DELTA.I
maximum current ripple [A]
U a
Input voltage [V]
U out
Output voltage [V]

Für den Tiefsetzmodus gilt folgender Mindestwert fsoll für die Schaltfrequenz f: fsoll = 1/(L·∆I/Uaus + L·∆I/(Uein – Uaus)) For the step-down mode the following minimum value f soll applies for the switching frequency f: f nom = 1 / (L · .DELTA.I / u + L · .DELTA.I / (U a - U out))

Für den Hochsetzmodus gilt folgender Mindestwert fsoll für die Schaltfrequenz f: fsoll = 1/(L·∆I/Uein + L·∆I/(Uaus – Uein)) For the boost mode the following minimum value f soll applies for the switching frequency f: f nom = 1 / (L · .DELTA.I / U a + L · .DELTA.I / (U in - U a))

Für Hoch-Tiefsetzsteller mit Einzelschalter sind entsprechende Gleichungen ableitbar. For up-down converters with single switch corresponding equations are derivable.

In 2 ist der Verlauf des Mindestwertes fsoll für die Schaltfrequenz f in Abhängigkeit der Differenz zwischen Ausgangsspannung Uaus und Eingangsspannung Uein dargestellt (Uein – Uaus im Tiefsetzmodus und Uaus – Uein im Hochsetzmodus). Definitionsgemäß ist im Tiefsetzmodus die Eingangsspannung Uein größer als die Ausgangsspannung Uaus und im Hochsetzmodus verhält es sich umgekehrt. In 2 the course of the minimum value is f set out in dependence on the difference between the output voltage U and the input voltage U a shown (U a - U from the step-down mode, and U in - U A in the boost mode) for the switching frequency f. By definition, the input voltage U is in the buck mode, a greater than the output voltage U out and in the boost mode, it is the other way round.

Genau in der Mitte des Verlaufs muss die Schaltfrequenz f am höchsten sein, damit die maximal zulässige Stromwelligkeit in der Induktivität eingehalten wird. Dann beträgt nämlich das Tastverhältnis νT gleich 0,5. Im nicht lückenden Betrieb entspricht dabei die Ausgangsspannung Uaus der halben Eingangsspannung Uein im Tiefsetzmodus oder der doppelten Eingangsspannung Uein im Hochsetzmodus. Exactly in the middle of the course, the switching frequency f must be highest, so that the maximum permissible current ripple in the inductance is maintained. For then the duty cycle ν T is equal to 0.5. In the continuous mode while the output voltage U from half the input voltage corresponds to a U in the buck mode or the double input voltage U in a boost mode.

Sobald sich das Verhältnis von Ausgangsspannung Uaus zu Eingangsspannung Uein ändert, weicht auch das Tastverhältnis νT von 0,5 ab und gemäß dem dargestellten Verlauf sinkt die minimal erforderliche Schaltfrequenz fsoll. As soon as the ratio of output voltage U out to input voltage U changes a, also deviates the duty ratio ν of 0.5 T, and according to the illustrated curve, the minimum required switching frequency f is lowered to.

Für einen erfindungsgemäßen DC-DC-Konverter, der einen weiten Arbeitsbereich bezüglich des Verhältnisses von Ausgangsspannung Uaus zu Eingangsspannung Uein abdeckt, folgt daraus, dass nur im Betriebspunkt mit dem Tastverhältnis νT gleich 0,5 die maximale Schaltfrequenz fmax mit dem ungünstigsten Wirkungsgrad vorgegeben wird. In allen anderen Betriebspunkten wird die Schaltfrequenz f herabgesetzt, wodurch sich aufgrund der reduzierten Schaltvorgänge ein besserer Wirkungsgrad ergibt, ohne die Stromwelligkeit in der Induktivität anzuheben. For an inventive DC-DC converter that covers a wide working range with respect to the ratio of the output voltage U out to input voltage U, it follows that only in the operating point with the duty ratio ν T equal to 0.5, the maximum switching frequency f max with the worst Efficiency is specified. In all other operating points, the switching frequency f is reduced, resulting in a better efficiency due to the reduced switching operations, without raising the current ripple in the inductor.

Claims (15)

Steuerungsverfahren für einen DC-DC-Konverter, umfassend wenigstens ein Schaltelement (S1), welches mittels einer Steuereinrichtung (STR) mit einem veränderbaren Tastverhältnis (νT) zyklisch ein- und ausgeschaltet wird, wobei eine Eingangsspannung (Uein) in eine Ausgangsspannung (Uaus) umgewandelt wird, indem durch Auf- und Abmagnetisieren einer Induktivität (L1) ein Kondensators (C2) geladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinrichtung (STR) für ein Tastverhältnis (νT) von 0,5 eine maximale Schaltfrequenz (fmax) vorgegeben wird und dass bei einem höheren oder einem niedrigeren Tastverhältnis (νT) die Schaltfrequenz (f) in einem vorgegebenen Ausmaß soweit herabgesetzt wird, dass weiterhin eine Stromwelligkeit in der Induktivität (L1) unterhalb eines vorgegeben Grenzwertes bleibt. A control method for a DC-DC converter comprising at least one switching element (S1), which is cyclically switched (STR) by means of a control device with a variable duty ratio (ν T) on and off, wherein an input voltage (U a) (in an output voltage U out ) by charging a capacitor (C2) by magnetizing and demagnetizing an inductance (L1), characterized in that the control means (STR) for a duty cycle (ν T ) of 0.5 has a maximum switching frequency (f max ) is specified and that at a higher or a lower duty cycle (ν T ) the switching frequency (f) is reduced to a predetermined extent so far that continue a current ripple in the inductance (L1) remains below a predetermined limit. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (Uaus) auf einen konstanten Wert geregelt wird und dass für die Ausgangsspannung (Uaus) in einer zeitlichen Abfolge unterschiedliche Sollwerte vorgegeben werden. Control method according to claim 1, characterized in that the output voltage (U out ) is regulated to a constant value and that for the output voltage (U out ) in a time sequence different setpoints are specified. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Bereich um das Tastverhältnis (νT) von 0,5 die maximale Schaltfrequenz (fmax) vorgegeben wird und dass eine verringerte Schaltfrequenz (f) vorgegeben wird, sobald für einen festgelegten Parameter ein unterer Schwellwert unterschritten oder ein oberer Schwellwert überschritten wird. Control method according to claim 1 or 2, characterized in that for a range around the duty cycle (ν T ) of 0.5, the maximum switching frequency (f max ) is specified and that a reduced switching frequency (f) is given, as soon as for a specified parameter falls below a lower threshold or an upper threshold is exceeded. Steuerungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinrichtung (STR) als Parameter das Tastverhältnis(νT) vorgegeben wird und dass als unterer Schwellwert ein Tastverhältnis (νT) kleiner 0,5 und als oberer Schwellwert ein Tastverhältnis (νT) größer 0,5 vorgegeben wird. Control method according to claim 3, characterized in that the control device (STR) is specified as a parameter, the duty cycle (ν T ) and that as a lower threshold value a duty cycle (v T ) is less than 0.5 and the upper threshold value a duty cycle (v T ) is greater than 0.5. Steuerungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinrichtung als Parameter ein Verhältnis von Eingangsspannung (Uein) zu Ausgangsspannung (Uaus) vorgegeben wird und dass als unterer Schwellwert und als oberer Schwellwert jeweils ein bestimmtes Verhältnis von Eingangsspannung (Uein) zu Ausgangsspannung (Uaus) vorgegeben wird. The control method according to claim 3, characterized in that the control device has a ratio of input voltage (U a) to output voltage (U out) is given as a parameter, and that as a lower threshold value and as the upper threshold value in each case a specific ratio of input voltage (U a) to the output voltage (U off ) is specified. Steuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenzänderung mittels einer Zweipunktregelung durchgeführt wird. Control method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the switching frequency change is carried out by means of a two-step control. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinrichtung (STR) die Schaltfrequenz (f) in Abhängigkeit einer maximal zulässigen Stromwelligkeit sowie in Abhängigkeit der momentanen Eingangsspannung (Uein) und der momentanen Ausgangsspannung (Uaus) vorgegeben wird. The control method according to claim 1 or 2, characterized in that the control device (STR), the switching frequency (f) (a U) and the instantaneous output voltage (U out) is set depending on a maximum allowable ripple current, as well as in function of the instantaneous input voltage. DC-DC-Konverter mit wenigstens einem Schaltelement (S1), welches mittels einer Steuereinrichtung (STR) angesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (STR) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist. DC-DC converter with at least one switching element (S1), which is controlled by means of a control device (STR), characterized in that the control device (STR) for implementing a method according to one of claims 1 to 7 is set up. DC-DC-Konverter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinrichtung (STR) eine Zweipunktregelung eingerichtet ist, welche die Schaltfrequenz (f) in Abhängigkeit des Tastverhältnisses (νT) zwischen zwei vorgegebenen Werten umschaltet. DC-DC converter according to claim 8, characterized in that in the control device (STR) is a two-step control is set, which switches the switching frequency (f) in dependence of the duty cycle (ν T ) between two predetermined values. DC-DC-Konverter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinrichtung (STR) eine Zweipunktregelung eingerichtet ist, welche die Schaltfrequenz (f) in Abhängigkeit der Eingangsspannung (Uein) und/oder der Ausgangsspannung (Uaus) zwischen zwei vorgegebenen Werten umschaltet. DC-DC converter according to claim 8, characterized in that in the control device (STR) has a two-point control set is that the switching frequency (f) as a function of the input voltage (U a) and / or the output voltage (U off) between two predetermined Switches values. DC-DC-Konverter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (STR) mit einer Speichereinheit verbunden ist, in der zu unterschiedlichen Werten der Eingangsspannung (Uein) und/oder der Ausgangsspannung (Uaus) zugeordnete Werte für die Schaltfrequenz (f) abgespeichert sind. DC-DC converter according to claim 8, characterized in that the control device (STR) connected to a memory unit in which different values of the input voltage (U a) and / or the output voltage (U out) assigned values for the switching frequency ( f) are stored. DC-DC-Konverter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (STR) einen Mikrocontroller umfasst, der in Abhängigkeit der Eingangsspannung (Uein) und/oder der Ausgangsspannung (Uaus) laufend die minimal mögliche Schaltfrequenz (fsoll) errechnet. Calculated DC-DC converter according to claim 8, characterized in that the control device (STR) comprises a microcontroller, the function of the input voltage (U a) and / or the output voltage (U out) running the minimal possible switching frequency (f nom) , DC-DC-Konverter nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-DC-Konverter als bidirektionaler Konverter ausgebildet ist. DC-DC converter according to one of claims 8 to 12, characterized in that the DC-DC converter is designed as a bidirectional converter. DC-DC-Konverter nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-DC-Konverter als sogenannter interleaved Konverter ausgebildet ist. DC-DC converter according to one of claims 8 to 13, characterized in that the DC-DC converter is designed as a so-called interleaved converter. Verwendung eines DC-DC-Konverters nach einem der Ansprüche 8 bis 14 zum Laden einer Batterie. Use of a DC-DC converter according to any one of claims 8 to 14 for charging a battery.
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