DE102014216551A1

DE102014216551A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Totzeitregelung in Schaltnetzteilen

Info

Publication number: DE102014216551A1
Application number: DE102014216551.2A
Authority: DE
Inventors: Diego Antongirolami; Göran Schubert
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2034-08-21
Also published as: US10205382B2; WO2016026594A1; DE102014216551B4; JP2017526329A; US20170237337A1; EP3183806A1; JP6522115B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung einer Totzeit (t_tot) zwischen dem Beginn des Öffnens eines ersten Schaltelements (1.5.1) und dem Beginn des Schließens eines in Reihe geschalteten zweiten Schaltelements (1.5.2) in einem Schaltregler (1.5) eines Schaltnetzteils (1), umfassend – wobei eine Messspannung (U_aus) über dem zweiten Schaltelement (1.5.2) gemessen wird und – wobei die Totzeit (t_tot) so variiert wird, dass die Abweichung der gemessenen Messspannung (U_aus) von einem Sollwert (U_soll) der Messspannung minimiert oder begrenzt wird und – wobei das erste und das zweite Schaltelement (1.5.1, 1.5.2) mit der so ermittelten Totzeit (t_tot) angesteuert werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, umfassend eine Messeinheit (2), eine Verarbeitungseinheit (3) und eine Steuereinheit (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Anpassung, insbesondere Regelung und/oder Steuerung einer Totzeit zwischen dem Öffnen eines ersten Schaltelements und dem Schließen eines zweiten Schaltelements in einem Schaltnetzteil mit aktivem Freilauf.
Schaltnetzteile zur Wandlung einer Eingangsgleichspannung in eine Versorgungsspannung werden häufig mit aktivem Freilauf aufgebaut, in der ein erstes Schaltelement in Reihe mit einem zweiten Schaltelement geschaltet ist, wobei das zweite Schaltelement die Funktion des aktiven Freilaufs übernimmt. Der Schaltregler wird mit der Eingangsgleichspannung versorgt. Parallel zum zweiten Schaltelement ist eine Induktivität in Reihe mit einer Kapazität geschaltet. Über dem zweiten Schaltelement wird eine Ausgangsspannung oder Messspannung abgegriffen. Über der Kapazität wird die Versorgungsspannung zur Versorgung eines Verbrauchers abgegriffen. Das erste und das zweite Schaltelement werden periodisch geöffnet und geschlossen, wobei stets mindestens eines der Schaltelemente geöffnet ist. Das Verhältnis der Schließdauer des ersten Schaltelements zur Gesamtdauer aus Schließdauer und nachfolgender Öffnungsdauer des ersten Schaltelements wird als Tastverhältnis bezeichnet. Über das Tastverhältnis kann zu einer gegebenen Eingangsgleichspannung und einem gegebenen, parallel zur Kapazität geschalteten elektrischen Verbraucher eine gewünschte Versorgungsspannung eingestellt werden. Dem Fachmann sind verschiedene Ausprägungen dieser Grundform eines Schaltnetzteils mit aktivem Freilauf bekannt, beispielsweise als Abwärtswandler oder Tiefsetzsteller.
Die Zeitspanne zwischen dem Öffnen des ersten Schaltelements und dem Schließen des zweiten Schaltelements, während der mithin beide Schaltelemente geöffnet sind, wird als Totzeit bezeichnet.
Schaltelemente können als Transistoren, beispielsweise als Metalloxid-Feldeffekt-Transistoren (MOSFET) ausgebildet sein. Prinzipbedingt können derartige MOSFET keine abrupten, also infinitesimal kurzen Schaltvorgänge umsetzen, sondern benötigen für das Schließen und Öffnen eine gewisse, von der Herstellungstechnologie und Geometrie abhängige Zeitdauer von einigen Zehntel Nanosekunden bis zu einigen Nanosekunden. Ferner weisen MOSFETs technologisch bedingt parasitäre Dioden zwischen einem Drain- und einem Sourceanschluss auf. Eine derartige parasitäre Diode des zweiten Schaltelements wirkt parallel zur Reihenschaltung aus der Induktivität und der Kapazität, über der die Versorgungsspannung abgegriffen wird.
Herstellungsbedingt, aufgrund drahtartiger oder wenigstens langgestreckter metallischer Verbindungen zwischen den Bauelementen, weist ein solcher Schaltregler eine parasitäre Induktivität auf. Aufgrund des Recovery-Verhaltens der parasitären Diode des zweiten Schaltelements kann diese parasitäre Induktivität abhängig von der Schaltgeschwindigkeit der Schaltelemente, der Eingangsgleichspannung und dem elektrischen Verbraucher parallel zur Kapazität bei einer zu großen Totzeit zwischen den Schaltvorgängen zu Resonanzerscheinungen führen, wodurch die Ausgangsspannung oder Messspannung, und damit auch die Versorgungsspannung, von Spannungsspitzen überlagert wird. Diese Spannungsspitzen können als temporäre Überspannung beobachtet werden. Die temporäre Überspannung und eine damit einhergehende temporäre Stromüberhöhung führen zu einer unerwünscht hohen elektrischen Emission.
Ferner kann eine zu geringe Totzeit dazu führen, dass sich die Abschaltphase des ersten Schaltelements und die Einschaltphase des zweiten Schaltelements überlappen. Eine solche Überlappung bewirkt zunächst ebenfalls eine Überspannung am Messausgang des Schaltreglers. Bei einer weiteren Verringerung der Totzeit ist ein hoher Kurzschlussstrom durch beide Schaltelemente möglich, der zu einer Zerstörung der Schaltelemente führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Anpassung der Totzeit eines Schaltreglers mit aktivem Freilauf in einem Schaltnetzteil anzugeben, das eine Überspannung und/oder eine Zerstörung vermeidet. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung und/oder Anpassung einer Totzeit zwischen dem Beginn des Öffnens eines ersten Schaltelements und dem Beginn des Schließens eines in Reihe geschalteten zweiten Schaltelements in einem Schaltregler mit aktivem Freilauf eines Schaltnetzteils werden eine Messspannung des Schaltnetzteils über dem zweiten Schaltelement bestimmt und anhand der bestimmten Messspannung eine Totzeit so variiert, dass die Abweichung der ermittelten Messspannung von einem Sollwert minimiert oder begrenzt wird. Das erste und das zweite Schaltelement in dem Schaltregler mit aktivem Freilauf des Schaltnetzteils werden so angesteuert, dass das zweite Schaltelement um die ermittelte Totzeit verzögert nach dem Öffnen des ersten Schaltelements geschlossen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei in Art einer geschlossenen Regelung oder Steuerung der Totzeit ausgeführt sein, indem die Totzeit in einer Schleife mehrfach ermittelt und angepasst wird.
In einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses

– in einem ersten Schritt eine Initialisierung einer Totzeit, die Initialisierung eines ersten Überspannungswerts der Messspannung mit einem Überspannungsstartwert größer oder gleich der maximal messbaren Überspannung und die Initialisierung einer positiven Korrekturrichtung für die Änderung der Totzeit,
– in einem zweiten Schritt die Messung eines zweiten Überspannungswerts in einem auf die Totzeit abgestimmten Messzeitfenster,
– in einem dritten Schritt die Umkehrung der Korrekturrichtung, falls der zweite Überspannungswert größer ist als der erste Überspannungswert,
– in einem vierten Schritt die Änderung des Totzeitwertes in der Korrekturrichtung um einen Totzeitänderung und
– in einem fünften Schritt die Überschreibung des ersten Überspannungswerts mit dem zweiten Überspannungswert.

Im ersten Schritt wird die Totzeit auf einen initialen Wert festgelegt, der mindestens so groß gewählt ist, dass ein Kurzschlussstrom durch überlappendes Öffnen und Schließen des ersten und zweiten Schaltelements vermieden wird. Es ist möglich, den Totzeitwert mit einem Normtotzeitwert zu initialisieren, für den bekannt ist, dass er bei typischen am Schaltregler angeschlossenen Verbrauchern kein oder nur geringes Überschwingen der Messspannung, und damit auch der Versorgungsspannung bewirkt.
Im ersten Schritt wird ferner die Korrekturrichtung als positive Korrekturrichtung initialisiert, so dass beim Auftreten einer Überspannung der Totzeitwert um die Totzeitänderungsschrittweite vergrößert wird.
Der erste Überspannungswert wird mit einem Überspannungsstartwert initialisiert. Ein solcher Überspannungsstartwert kann beispielsweise als maximal darstellbarer oder als maximaler speicherbarer Überspannungswert festgelegt werden.
Im zweiten Schritt wird die mit der aktuellen Totzeiteinstellung gemessene Messspannung in einem auf die Totzeit abgestimmten Messzeitfenster als zweiter Überspannungswert ermittelt.
Es ist möglich, hierzu eine dem Fachmann als Abtast-Halte-Glied oder Momentanwertabtastung bekannte Schaltung einzusetzen, welche mit einem von den Ansteuersignalen der Schaltelemente abgeleitetem Triggersignal betrieben werden kann. So kann beispielsweise die Messspannung zu einem näherungsweise in der Mitte der Totzeit gelegenen Zeitpunkt gemessen werden.
Es ist aber auch möglich, als zweiten Überspannungswert den Maximalwert des Spannungsverlaufs am Messausgang des Schaltreglers während einer vorbestimmten Zeitspanne, beispielsweise mit oder unmittelbar nach dem Öffnen des ersten Schaltelements beginnenden Zeitintervalls, zu ermitteln.
Im dritten Schritt wird der zweite Überspannungswert mit dem ersten Überspannungswert verglichen. Liegt der zweite Überspannungswert unter dem ersten Überspannungswert, so wird die Korrekturrichtung beibehalten. Andernfalls wird die Korrekturrichtung umgekehrt.
Im vierten Schritt wird die Totzeit entsprechend der Korrekturrichtung um die vorbestimmte Totzeitänderungsschrittweite korrigiert, also bei positiver Korrekturrichtung erhöht und bei negativer Korrekturrichtung verringert.
Im fünften Schritt wird der zweite, also der zuletzt gemessene, Überspannungswert dem ersten Überspannungswert zugewiesen und steht damit für einen Vergleich mit einem nachfolgenden, noch zu messenden Überspannungswert in einem nachfolgenden Durchlauf des zweiten bis fünften Schritts zur Verfügung.
Wird der dritte Schritt erstmalig durchlaufen, so liegt der im zweiten Schritt gemessene zweite Überspannungswert nie über dem ersten Überspannungswert, welcher im ersten Schritt mit einem maximalen Überspannungsstartwert initialisiert wurde. Somit ist für den ersten Durchlauf des dritten Schritts sichergestellt, dass die initialisierte positive Korrekturrichtung beibehalten wird.
Für nachfolgende Durchläufe des dritten Schritts wird dagegen die Korrekturrichtung aus dem vorangegangenen Durchlauf genau dann beibehalten, wenn diese Korrekturrichtung eine Verringerung der Überspannung, mithin eine Verbesserung des Verhaltens des Schaltreglers bewirkt hat. In allen anderen Fällen wird die Korrekturrichtung geändert.
In vorteilhafter Weise werden mit diesem Verfahren Totzeitwerte ermittelt, die um einen mindestens lokal optimalen Totzeitwert pendeln, der durch einen mindestens lokal minimalen Überspannungswert der Messspannung gekennzeichnet ist. Mit anderen Worten: Totzeitwerte außerhalb, aber in unmittelbarer Nähe des durchpendelten Totzeitwert-Intervalls würden zu größeren Überspannungswerten der Messspannung führen. Somit wird die nachteilige Überspannung durch das beschriebene Verfahren minimiert.
Für praktische Zwecke kann näherungsweise angenommen werden, dass zwischen einem hohen Überspannungswert bewirkt durch eine zu niedrige Totzeit, welche in einem Kurzschlussstrom resultiert, und einem hohen Überspannungswert bewirkt durch eine zu große Totzeit, welche in einem Überschwingen resultiert, ein Totzeitwert liegt, der in einer optimalen, nämlich gegenüber dem Sollwert der Messspannung nicht oder nur minimal erhöhten Messspannung während des Umschaltens des ersten und zweiten Schaltelements resultiert.
Für diese praktisch besonders bedeutsame Näherung führt das Verfahren auf Totzeitwerte, die unmittelbar um die optimale Totzeit pendeln, welche zu einem minimalen Überspannungswert führt.
Dies ist besonders vorteilhaft bei Änderungen des Laststroms, der von einem durch das Schaltnetzteil versorgten Verbraucher aufgenommen wird, oder bei Änderungen der Impedanz, insbesondere des kapazitiven Impedanzanteils eines solchen Verbrauchers. Derartige Änderungen erfordern im Allgemeinen einen veränderten optimalen Totzeitwert zur Minimierung der Überspannung. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein solcher veränderter optimaler Totzeitwert mindestens näherungsweise ermittelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in einem den zweiten Schritt ersetzenden modifizierten zweiten Schritt der zweite Überspannungswert als Maximalwert der Messspannung über einen kompletten Schaltzyklus des Schaltreglers ermittelt, wobei ein solcher Schaltzyklus durch die Zeit zwischen dem Beginn eines ersten Schließens des ersten Schaltelements und dem Beginn eines nachfolgenden zweiten Schließens des ersten Schaltelements bestimmt ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung entfallen der dritte und der vierte Schritt des Verfahrens dann, wenn der zweite Überspannungswert kleiner oder gleich einem vorbestimmten Überspannungsgrenzwert ist.
Zwar kann bei dieser Ausführungsform der Erfindung das mindestens näherungsweise Auffinden eines mindestens lokal optimalen Totzeitwerts nicht mehr garantiert werden, jedoch reicht es für viele praktische Zwecke aus, wenn ein vorher bestimmter Überspannungsgrenzwert nicht wesentlich überschritten wird. Für solche Anwendungszwecke stellt diese Ausführungsform ein in vorteilhafter Weise vereinfachtes Verfahren dar, da bei dieser Ausführungsform die Begrenzung der Messung des Überspannungsverlaufs auf ein vorbestimmtes, an dem aktuellen Totzeitwert orientiertes Messzeitfenster entfällt. In vorteilhafter Weise kann dadurch eine einfachere Anordnung zur Messung eines Überspannungswertes verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Überspannungsgrenzwert in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert der Messspannung bestimmt. In vielen bedeutsamen Anwendungsfällen können elektrische Verbraucher mit Versorgungsspannungen versorgt werden, welche in einem gewissen Korridor um einen Sollwert einer Versorgungsspannung liegen. Beispielsweise können Schwankungen von plus oder minus zehn Prozent des Sollwertes der Versorgungsspannung von solchen elektrischen Verbrauchern toleriert werden. Es ist daher in diesen Fällen nicht notwendig, die Überspannung am Messausgang eines Schaltnetzteils auf ein Minimum zu begrenzen, sondern nur notwendig, ein Überschreiten des tolerierten Korridors von Versorgungsspannungen zu vermeiden. So ist es beispielsweise möglich, einen Überspannungsgrenzwert festzulegen, der dem 1,05-fachen des Sollwerts der Messspannung entspricht, wenn bekannt ist, dass Verbraucher Schwankungen der Versorgungsspannung von 10 Prozent um einen Sollwert tolerieren. In vorteilhafter Weise ist damit ein sicherer Betrieb von Verbrauchern bei gleichzeitig minimalem Regelungsaufwand für die Totzeit möglich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Totzeitänderung aus der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Überspannungswert ermittelt.
Die Totzeitänderung beeinflusst zum einen die Anzahl der Durchläufe des zweiten bis fünften Schritts, die erforderlich sind, um einen Totzeitwert in die Nähe eines optimalen Totzeitwerts zu bringen. Für eine schnelle Anpassung des Totzeitwerts ist somit eine große Totzeitänderung vorteilhaft.
Zum anderen beeinflusst die Totzeitänderung die Breite des Intervalls, in welchem unter stationären Bedingungen der von dem Verfahren ermittelte Totzeitwert um einen solchen optimalen Totzeitwert pendelt. Für eine genaue Anpassung des Totzeitwerts an dieses Optimum ist somit eine kleine Totzeitänderung vorteilhaft.
Beispielsweise kann die Totzeitänderung ermittelt werden aus dem Produkt der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Überspannungswert mit einem vorbestimmten positiven Faktor. Weitab vom gesuchten optimalen Totzeitwert führt eine Änderung der Totzeitwerte zu einer großen Änderung der erzeugten Überspannungswerte, somit zu einer großen Totzeitänderung und somit zu einer raschen Annäherung an den gesuchten optimalen Totzeitwert. In der Nähe des gesuchten optimalen Totzeitwerts führt hingegen die Variation der Totzeitwerte nur zu einer geringen Änderung der erzeugten Überspannungswerte, somit zu einer geringen Totzeitänderung und somit zu einer genauen Anpassung des Totzeitwerts an den gesuchten optimalen Totzeitwert.
Diese Ausführungsform der Erfindung kombiniert somit in vorteilhafter Weise eine hohe Anpassungsgeschwindigkeit mit einer hohen Genauigkeit der Annäherung an diesen optimalen Totzeitwert.
Die Totzeitänderung kann zudem mit als Produkt aus einer Totzeitänderungsschrittweite, einem Verstärkungsfaktor von mindestens eins sowie einer Regelabweichung der Messspannung gebildet werden, wobei die Regelabweichung aus der Differenz aus dem gemessenen zweiten Überspannungswert und dem vorgegebenen Sollwert der Messspannung gebildet wird. Es ist auch möglich, diese Regelabweichung mit einem Exponenten von mindestens eins zu potenzieren. In vorteilhafter Weise wird damit bewirkt, dass bei vergleichsweise großen Regelabweichungen auch eine vergleichsweise großen Totzeitänderung ermittelt wird, während bei vergleichsweise geringen Regelabweichungen die Totzeit nur vergleichsweise wenig geändert wird.
Es ist möglich, dass sich der von dem Verbraucher aufgenommene Laststrom zeitlich ändert. Eine solche Änderung des Laststroms bewirkt im Allgemeinen eine Regelabweichung der Messspannung. Zur Begrenzung dieser Regelabweichung ist eine Anpassung der Totzeit notwendig, um eine unerwünschte Überspannung zu vermeiden oder zu begrenzen. Werden Verstärkungsfaktor und/oder Exponent zu klein gewählt, so kann die Regelabweichung nicht schnell genug ausgeglichen werden. Werden Verstärkungsfaktor und/oder Exponent zu groß gewählt, so ist eine Übersteuerung der Messspannung durch eine zu große Änderung der Totzeit möglich. Eine Übersteuerung der Messspannung wird ebenfalls durch einen hohen kapazitiven Impedanzanteil des Verbrauchers begünstigt, der einen zeitlichen Versatz der Änderung der Messspannung gegenüber der Änderung der Totzeit bewirkt.
In vorteilhafter Weise werden daher der Verstärkungsfaktor und der Exponent in der beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens an das typische Schaltverhalten eines angeschlossenen Verbrauchers, insbesondere an die typische Geschwindigkeit und die typische Amplitude einer Änderung des aufgenommenen Laststroms, sowie an den kapazitiven Impedanzanteil des angeschlossenen Verbrauchers angepasst. Die Anpassung erfolgt so, dass ein Verstärkungsfaktor und ein Exponent für einen bestimmten Verbraucher ermittelt werden, welche bei typischen Änderungen des aufgenommenen Laststroms noch keine Übersteuerung der Messspannung, und damit der Versorgungsspannung, bewirken.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird im zweiten Schritt der zweite Überspannungswert als Maximalwert der Messspannung über einen kompletten Schaltzyklus des Schaltreglers ermittelt, wobei ein solcher Schaltzyklus durch die Zeit zwischen dem Beginn eines ersten Schließens des ersten Schaltelements und dem Beginn eines nachfolgenden zweiten Schließens des ersten Schaltelements bestimmt ist.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden der dritte und der vierte Schritt des Verfahrens ausgeführt, wenn der zweite Überspannungswert größer als ein vorbestimmter Überspannungsgrenzwert ist.
Wenn in einem nachfolgenden Durchlauf des Verfahrens der zweite Überspannungswert kleiner oder gleich dem vorbestimmten Überspannungsgrenzwert ist, so wird anstelle des dritten und vierten Schrittes ein modifizierter vierter Schritt ausgeführt.
In diesem modifizierten vierten Schritt wird die Totzeit in der Korrekturrichtung um ein durch eine vorbestimmte Schrittzahl bestimmtes Vielfaches der Totzeitänderungsschrittweite geändert. Mit anderen Worten: hat eine Änderung der Totzeit zu der gewünschten Unterschreitung des Überspannungsgrenzwerts geführt, so wird in einem nachfolgenden Durchlauf des Verfahrens die Totzeit nochmals in der gleichen Korrekturrichtung um ein vorbestimmtes Vielfaches der Totzeitänderungsschrittweite geändert, welches sich als Produkt der Totzeitänderungsschrittweite mit einer Schrittzahl ergibt.
In allen darauffolgenden Durchläufen des Verfahrens entfallen bei dieser Ausführungsform der dritte und der vierte Schritt, wenn der zweite Überspannungswert kleiner oder gleich dem vorbestimmten Überspannungsgrenzwert ist. Mit anderen Worten: die Totzeit bleibt unverändert, bis erneut eine Überschreitung des Überspannungsgrenzwerts festgestellt wird.
In vorteilhafter Weise wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung mittels einer nochmaligen Änderung der Totzeit in Richtung einer zuvor erfolgreich durchgeführten Totzeitänderung eine weitere Verringerung der Regelabweichung dann erzielt, wenn dieses Totzeitänderung durch Wahl der Schrittzahl an das typische Schaltverhalten des versorgten Verbrauchers angepasst ist. Die Anpassung kann in ähnlicher Weise wie die Anpassung des Verstärkungsfaktors und des Exponenten durch Wahl einer Schrittzahl erfolgen, bei welcher bei typischen Änderungen des aufgenommenen Laststroms noch keine Übersteuerung der Messspannung bewirkt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung und Anpassung, insbesondere Regelung oder Steuerung der Totzeit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst eine Messeinheit zur Messung der Messspannung des Schaltnetzteils, eine Verarbeitungseinheit zur Berechnung einer Totzeit sowie eine Steuereinheit zur Ansteuerung des ersten und zweiten Schaltelements in dem Schaltregler des Schaltnetzteils.
Die Messeinheit ist mit der Verarbeitungseinheit verbunden und misst die Messspannung über dem zweiten Schaltelement. Aus dieser Messspannung ermittelt die Verarbeitungseinheit eine erforderliche Änderung des Totzeitwerts nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Verarbeitungseinheit ist mit der Steuereinheit verbunden und so ausgebildet, dass über eine Verbindung ein Steuersignal an die Steuereinheit übertragbar ist, aus welchem eine erforderliche Änderung der Totzeit abgeleitet werden kann.
Die Steuereinheit ist mit dem ersten und dem zweiten Schaltelement verbunden. Die Steuereinheit legt Schaltzeitpunkte für das Umschalten des ersten und des zweiten Schaltelements so fest, dass sich eine Totzeit zwischen dem Öffnen des ersten Schaltelements und dem Schließen des zweiten Schaltelements ergibt, die in vorteilhafter Weise mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Minimierung oder mindestens Beschränkung einer Überspannung am Messausgang des Schaltnetzteils erzielt.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Steuereinheit zur Ansteuerung von MOSFETs ausgebildet. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit über elektrische Verbindungen mit als MOSFETs ausgebildeten Schaltelementen verbunden. In vorteilhafter Weise ist damit die Ansteuerung von besonders gebräuchlichen Schaltreglern in Schaltnetzteilen besonders einfach und kostengünstig möglich.
Weitere Details und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch den Schaltungsaufbau eines Schaltnetzteils mit einer Anpassung, z. B. Regelung, der Totzeit,
2 schematisch den Verlauf einer Überspannung, bewirkt durch eine zu große Totzeit,
3 schematisch den Verlauf einer Überspannung, bewirkt durch eine zu geringe Totzeit,
4 den Ablaufplan für ein Verfahren zur Minimierung der Überspannung mittels Totzeitregelung,
5 schematisch den Verlauf einer Überspannung bei einem Verfahren zur Minimierung der Überspannung mittels Totzeitregelung,
6 schematisch eine Detailansicht des Verlaufs einer Überspannung bei einem Verfahren zur Minimierung der Überspannung mittels Totzeitregelung,
7 den Ablaufplan für ein Verfahren zur Begrenzung der Überspannung mittels Totzeitregelung sowie
8 den Ablaufplan für ein Verfahren zur Begrenzung der Überspannung mittels Totzeitregelung und Totzeitsteuerung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt beispielhaft und schematisch den Schaltungsaufbau eines Schaltnetzteils 1 mit einer Messeinheit 2, einer Verarbeitungseinheit 3 und einer Steuereinheit 4. Der Eingang des Schaltnetzteils 1 wird durch zwei Eingangskontakte 1.1, 1.2 gebildet, die von einer Eingangsgleichspannung U_ein gespeist werden. Der Messausgang des Schaltnetzteils 1 wird durch zwei Messausgangskontakte 1.3, 1.4 gebildet, zwischen denen eine Messspannung U_aus abfällt. Die Messspannung U_aus soll einen gewünschten Sollwert U_soll annehmen, welcher unterhalb der Eingangsgleichspannung U_ein liegt.
In einem eingangsseitigen Schaltregler 1.5 mit aktivem Freilauf des Schaltnetzteils 1 sind ein erstes Schaltelement 1.5.1 und ein zweites Schaltelement 1.5.2 als MOSFET ausgebildet und in Reihe geschaltet. Die Messausgangskontakte 1.3, 1.4 sind parallel zum zweiten Schaltelement 1.5.2 angeordnet. Ferner sind zwischen den Messausgangskontakten 1.3, 1.4, und somit parallel zum zweiten Schaltelement 1.5.2, eine Induktivität L und eine Kapazität C, welche beim Schließen des ersten Schaltelements 1.5.1 von der Eingangsgleichspannungsquelle U_ein aufgeladen wird, in Reihe geschaltet. Parallel zur Kapazität C wird ein Verbraucher oder Lastwiderstand X_L mit der Versorgungsspannung versorgt, über welchen die Kapazität C entladen wird.
Die Schaltelemente 1.5.1, 1.5.2 werden von der Steuereinheit 4 periodisch öffnend und schließend so angesteuert, dass zwischen dem Öffnen des ersten Schaltelements 1.5.1 und dem Schließen des zweiten Schaltelements 1.5.2 eine Totzeit t_tot verstreicht, während der beide Schaltelemente 1.5.1, 1.5.2 geöffnet sind.
Es ist möglich, dass das erste und das zweite Schaltelement 1.5.1, 1.5.2 auf demselben Halbleiterchip angeordnet sind.
Die Messeinheit 2 ist am Messausgang 1.3, 1.4 des Schaltnetzteils 1 angeschlossen und mit der Verarbeitungseinheit 3 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 3 ist mit der Steuereinheit 4 verbunden. Die Steuereinheit 4 steuert das Öffnen und Schließen der Schaltelemente 1.5.1, 1.5.2.
Die Schaltelemente 1.5.1, 1.5.2 sowie die Verbindungen des Schaltreglers 1.5 sind elektrisch durch einen Ohmschen Widerstand, eine parasitäre Induktivität und eine parasitäre Kapazität gekennzeichnet.
Bei einer sehr großen Totzeit t_tot bewirken die parasitären Induktivitäten innerhalb der Schaltreglers 1.5 ein Überschwingen der Messspannung U_aus, wie es in 2 für einen Umschaltzeitpunkt t_schalt entlang der Zeitachse t dargestellt ist. Innerhalb eines Messzeitfensters t_mess wird am Messausgang 1.3, 1.4 des Schaltnetzteils 1 durch Induktion ein Schwingen der Messspannung U_aus, und damit ein Überschreiten der Sollwerts der Messspannung U_soll durch die Überspannung U_ueb bewirkt. Der Sollwert der Messspannung U_soll stellt sich erst nach allmählichem Abklingen der Schwingung von der Überspannung U_ueb als stationärer Wert der Messspannung U_aus ein.
Die Schaltvorgänge in den Schaltelementen 1.5.1, 1.5.2 verlaufen nicht abrupt, vielmehr wird beim Öffnen während einer Öffnungsphase die Stromstärke allmählich verringert und beim Schließen während einer Schließphase allmählich erhöht. Bei einer sehr kleinen Totzeit t_tot überlappen sich die Öffnungsphase des ersten Schaltelements 1.5.1 und die Schließphase des zweiten Schaltelements 1.5.2. Dadurch wird ein Überschreiten der Sollwerts U_soll der Messspannung, mithin eine Überspannung U_ueb bewirkt, wie in 3 dargestellt.
4 zeigt den Ablaufplan für das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem die Überspannung U_ueb minimiert oder mindestens reduziert wird. Das Verfahren startet in einem Startpunkt S0.
In einem daran anschließenden ersten Schritt S1 werden die Totzeit t_tot mit einem Wert t_tot_start, ein erster Überspannungswert U_ueb1 mit einem Überspannungsstartwert U_ueb_start sowie eine Korrekturrichtung d mit dem Startwert 1 initialisiert, in Formeln ausgedrückt: t_tot := t_tot_start d := 1, wobei der Operator := die Zuweisung eines rechts stehenden Wertes auf eine links stehende Variable notiert. Ferner wird in dem ersten Schritt S1 ein erster Überspannungswert U_ueb1 in einem Messfenster t_mess zwischen der Umschaltung des ersten Schaltelements 1.5.1 und der Umschaltung des zweiten Schaltelements 1.5.2 als Maximalwert der Messspannung U_aus gemessen.
In einem daran anschließenden zweiten Schritt S2 wartet das Verfahren auf das Umschalten zwischen dem ersten Schaltelement 1.5.1 und dem zweiten Schaltelement 1.5.2, mithin auf einen Zeitpunkt oder auf eine Zeitspanne, zu dem oder während der das erste Schaltelement 1.5.1 bereits geöffnet ist und das zweite Schaltelement 1.5.2 noch nicht geschlossen ist.
Zu diesem Zeitpunkt oder während dieser Zeitspanne wird der aktuelle Wert der Messspannung U_aus gemessen und daraus ein zweiter Überspannungswert U_ueb2 ermittelt.
Beispielsweise ist es möglich, einen spezifischen Zeitpunkt aus den von der Steuereinheit 4 generierten Ansteuersignalen für das erste Schaltelement 1.5.1 und das zweite Schaltelement 1.5.2 zu ermitteln. Der zweite Überspannungswert U_ueb2 kann dann beispielsweise als Wert der Messspannung U_aus zu diesem Zeitpunkt gemessen werden.
Es ist aber auch möglich, die Messspannung U_aus während eines vorbestimmten Messzeitfensters t_mess zu messen und den zweiten Überspannungswert U_ueb2 als Maximalwert aller innerhalb dieses Messzeitfensters t_mess gemessenen Werte der Messspannung U_aus zu ermitteln.
In einem daran anschließenden ersten Entscheidungsschritt E1 wird geprüft, ob der zweite Überspannungswert U_ueb2 größer oder gleich dem ersten Überspannungswert U_ueb1 ist.
Falls der zweite Überspannungswert U_ueb2 größer oder gleich dem ersten Überspannungswert U_ueb1 ist, wird in einem entlang eines positiven Ablaufpfades J an den ersten Entscheidungsschritt E1 anschließenden dritten Schritt S3 die Korrekturrichtung d umgekehrt, als Formel ausgedrückt: d := –d und danach ein vierter Schritt S4 ausgeführt.
Falls der zweite Überspannungswert U_ueb2 kleiner als der erste Überspannungswert U_ueb1 ist, wird die Korrekturrichtung d beibehalten und unmittelbar nach dem ersten Entscheidungsschritt E1 entlang eines negativen Ablaufpfades N der vierte Schritt S4 ausgeführt.
Im vierten Schritt S4 wird die Totzeit t_tot in der Korrekturrichtung um eine Totzeitänderung d_t_tot verändert, als Formel ausgedrückt: t_tot := t_tot + d·d_t_tot.
In einem daran anschließenden fünften Schritt S5 wird dem ersten Überspannungswert U_ueb1 der zweite Überspannungswert U_ueb2 zugewiesen, als Formel ausgedrückt: U_ueb1 := U_ueb2.
Danach wird das Verfahren mit einer beliebigen Anzahl von Wiederholungen des Ablaufs vom zweiten bis zum fünften Schritt S2 bis S5 fortgesetzt.
In vorteilhafter Weise wird durch das beschriebene Verfahren eine Totzeit t_tot eingestellt, die zu einem minimalen oder näherungsweise minimalen zweiten Überspannungswert U_ueb2 führt. Für stationäre Verhältnisse bei unveränderter Eingangsgleichspannung U_ein und unverändertem Verbraucher X_L am Messausgang 1.3, 1.4 des Schaltnetzteils 1 pendelt die Totzeit t_tot um ein Optimum, das mit einer minimalen Überspannung, also mit einem minimalen Überschwingen der Messspannung U_aus verbunden ist, das den Sollwert der Messspannung U_soll nicht überschreitet, wie in 5 dargestellt. Auch hierbei gleicht sich die Messspannung U_aus allmählich an den Sollwert U__soll an und erreicht diesen im eingeschwungenen stationären Zustand.
6 stellt schematisch den Verlauf der Überspannung U_ueb sowie den Verlauf des Sollwerts U_soll der Messspannung U_aus, der sich im stationären Zustand einstellt, in Abhängigkeit von der eingestellten Totzeit t_tot dar. Es ist deutlich erkennbar, dass ein gewisser Optimalwert t_tot* der Totzeit existiert, bei welchem die Überspannung U_ueb minimal wird. Es ist ferner deutlich erkennbar, dass die Überspannung U_ueb für diesen Optimalwert der Totzeit t_tot* unter dem Sollwert U__soll liegt. In vorteilhafter Weise ist somit ein sicherer Betrieb sowohl des Schaltnetzteils 1 als auch des angeschlossenen Verbrauchers X_L gegeben.
7 zeigt den Ablaufplan für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit dem die Überspannung U_ueb begrenzt wird. Das Verfahren startet in einem Startpunkt S0.
Der Ablauf des ersten Schritts S1 entspricht dem in 4 dargestellten Ablauf.
In einem daran anschließenden modifizierten zweiten Schritt S2’ wird der Maximalwert der Messspannung U_aus über einen Schaltzyklus ermittelt und dem zweiten Überspannungswert zugewiesen, wobei ein solcher Schaltzyklus durch die Zeit zwischen dem Beginn eines ersten Schließens des ersten Schaltelements und dem Beginn eines nachfolgenden zweiten Schließens des ersten Schaltelements bestimmt ist.
In einem anschließenden zweiten Entscheidungsschritt E2 wird geprüft, ob der im Schritt S2 ermittelte zweite Überspannungswert U_ueb2 kleiner oder gleich einem Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz ist. Wenn der im modifizierten zweiten Schritt S2’ ermittelte zweite Überspannungswert U_ueb2 kleiner oder gleich dem Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz ist, wird entlang des positiven Ablaufpfades J als nächster Schritt der fünfte Schritt S5 abgearbeitet. Wenn der im modifizierten zweiten Schritt S2’ ermittelte zweite Überspannungswert U_ueb2 größer als der Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz ist, wird entlang des negativen Ablaufpfades der Ablauf des ersten Entscheidungsschritts E1, optional des dritten Schritts S3 sowie des vierten Schritts S4 so gewählt, wie in 4 bereits beschrieben:
Im ersten Entscheidungsschritt E1 wird geprüft, ob der zweite Überspannungswert U_ueb2 kleiner oder gleich dem ersten Überspannungswert U_ueb1 ist.
Falls der erste Überspannungswert U_ueb1 kleiner oder gleich dem zweiten Überspannungswert U_ueb2 ist, wird entlang des positiven Ablaufpfades J in dem daran anschließenden dritten Schritt S3 die Korrekturrichtung d geändert, als Formel ausgedrückt: d := –d und danach der vierte Schritt S4 ausgeführt.
Falls der erste Überspannungswert U_ueb1 größer als der zweite Überspannungswert U_ueb2 ist, wird die Korrekturrichtung d beibehalten und unmittelbar nach dem ersten Entscheidungsschritt E1 entlang des negativen Ablaufpfades N der vierte Schritt S4 ausgeführt.
Im vierten Schritt S4 wird die Totzeit t_tot in der Korrekturrichtung d um eine Totzeitänderungsschrittweite d_t_tot verändert, als Formel ausgedrückt: t_tot := t_tot + d·d_t_tot.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Totzeitänderungssschrittweite d_t_tot zusätzlich mit einem Verstärkungsfaktor K von mindestens 1 und einer mit einem positiven Exponenten x potenzierten Regelabweichung zwischen dem zweiten Überspannungswert U_ueb2 und dem Sollwert der Messspannung U_soll multipliziert werden werden, als Formel ausgedrückt: t_tot := t_tot + d·K·(U_ueb2 – U_soll)^x wobei y^x den zur x-ten Potenz erhobenen Wert von y darstellt.
In vorteilhafter Weise ist es bei dieser Ausführungsform der Erfindung möglich, bei einer großen Regelabweichung eine vergleichsweise große Änderung der Totzeit t_tot vorzunehmen, und bei einer geringeren Regelabweichung eine vergleichsweise kleinere Änderung der Totzeit t_tot vorzunehmen. Somit kann mit einer geringeren Anzahl von Durchläufen des vierten Schritts S4 bei etwa gleicher Regelgenauigkeit eine näherungsweise optimale Totzeit t_tot eingestellt werden als bei einem Verfahren mit einer festen Schrittweite, die unabhängig von der Abweichung des zuletzt gemessenen zweiten Überspannungswerts U_ueb2 vom Sollwert der Messspannung U_soll konstant bleibt.
Konkrete Werte für den Verstärkungsfaktor K und den Exponenten x werden in vorteilhafter Weise abhängig von der Impedanz und dem Schaltverhalten des angeschlossenen Verbrauchers X_L gewählt. Vergleichsweise große Werte für den Verstärkungsfaktor K bewirken eine schnellere Änderung der Totzeit t_tot und somit eine schnellere Verringerung der Regelabweichung als vergleichsweise niedrige Werte für den Verstärkungsfaktor K. Es kann jedoch ein Überschwingen der Messspannung U_aus bewirkt werden, wenn der Verstärkungsfaktor K einen gewissen Grenzwert überschreitet. In vorteilhafter Weise wird ein Verstärkungsfaktor K im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 gewählt.
Mittels des Exponenten x kann die Nichtlinearität der Regelung der Messspannung U_aus gesteuert werden. Durch Exponenten x oberhalb von 1 wird eine überproportionale Änderung der Totzeit t_tot bei großen Regelabweichungen bewirkt. Damit wird in vorteilhafter Weise eine vergleichsweise schnellere Verringerung der Regelabweichung erzielt als mit einem Exponenten x von 1. Es kann jedoch ein Überschwingen der Messspannung U_aus bewirkt werden, wenn der Exponent x einen gewissen Grenzwert überschreitet. In vorteilhafter Weise wird ein Exponent x im Bereich von etwa 1 bis etwa 5 gewählt.
Es ist möglich, zu einem gegebenen Verbraucher X_L mit einer gegebenen Impedanz und einem gegebenen Schaltverhalten, welches die Frequenz, Schnelligkeit und Amplitude von Lastschwankungen beschreibt, besonders geeignete Werte für den Verstärkungsfaktor K und den Exponenten x experimentell zu ermitteln. Beispielsweise können der Verstärkungsfaktor K und der Exponent x zunächst soweit vergrößert werden, bis ein Überschwingen der Messspannung U_aus beobachtet wird. Danach werden die so gefundenen Werte um ein vorbestimmtes Maß verringert, um einen sicheren Betrieb des Verfahrens ohne Überschwingen der Messspannung U_aus zu erzielen.
In dem entweder an den vierten Schritt S4 oder an den zweiten Entscheidungsschritt E2 anschließenden fünften Schritt S5 wird dem ersten Überspannungswert U_ueb1 der zweite Überspannungswert U_ueb2 zugewiesen, als Formel ausgedrückt: U_ueb1 := U_ueb2.
Danach wird das Verfahren mit einer beliebigen Anzahl von Wiederholungen des Ablaufs vom zweiten bis zum fünften Schritt S2 bis S5 fortgesetzt.
In vorteilhafter Weise ist es bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, eine Totzeit t_tot so zu wählen, dass ein Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz nicht wesentlich überschritten wird. Sobald im zweiten Entscheidungsschritt E2 eine Überschreitung dieses Überspannungsgrenzwerts U_ueb_grenz festgestellt wird, wird die Totzeit t_tot in der Korrekturrichtung d so geändert, dass eine Verringerung des gemessenen zweiten Überspannungswerts U_ueb2 eintritt. Die Veränderung der Totzeit t_tot wird eingestellt, sobald der Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz erreicht oder unterschritten ist und erst wieder aufgenommen, wenn der Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz erneut überschritten wird. In vorteilhafter Weise entfällt bei dieser Ausführungsform des Verfahrens die Notwendigkeit, fortlaufend ein Messzeitfenster zwischen dem Umschalten des ersten Schaltelements 1.5.1 und dem Umschalten des zweiten Schaltelements 1.5.2 zu überwachen, in welchem der Maximalwert des Spannungsverlaufs der Messspannung U_aus am Messausgang des Schaltreglers 1.5 erfasst werden soll. Diese Ausführungsform des Verfahrens lässt sich somit mit einem geringeren Aufwand an Bauelementen wie beispielsweise Komparatoren umsetzen.
8 zeigt den Ablaufplan für eine weitere Ausführungsform des Verfahrens, bei der die Überspannung U_ueb begrenzt wird. Das Verfahren startet in einem Startpunkt S0. Der erste Schritt S1, der modifizierte zweite Schritt S2’ und der zweite Entscheidungsschritt E2 werden in gleicher Weise durchlaufen wie bei der durch 7 beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens. Wenn der im modifizierten zweiten Schritt S2’ ermittelte zweite Überspannungswert U_ueb2 größer als der Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz ist, wird entlang des negativen Ablaufpfades N in einem anschließenden sechsten Schritt S6 eine Iterationszahl Z auf 0 gesetzt, als Formel ausgedrückt: Z := 0.
Die Iterationszahl Z beschreibt, wie oft das Verfahren seit der letzten Überschreitung des vorbestimmten Überspannungsgrenzwerts U_ueb_grenz durchlaufen wurde.
Nachfolgend auf den sechsten Schritt S6 wird der Ablauf des ersten Entscheidungsschritts E1, optional des dritten Schritts S3 sowie des vierten Schritts S4 so gewählt, wie in 4 bereits beschrieben:
Im ersten Entscheidungsschritt E1 wird geprüft, ob der zweite Überspannungswert U_ueb2 kleiner oder gleich dem ersten Überspannungswert U_ueb1 ist.
Falls der erste Überspannungswert U_ueb1 kleiner oder gleich dem zweiten Überspannungswert U_ueb2 ist, wird entlang des positiven Ablaufpfades J in dem daran anschließenden dritten Schritt S3 die Korrekturrichtung d geändert, als Formel ausgedrückt: d := –d und danach der vierte Schritt S4 ausgeführt.
Falls der erste Überspannungswert U_ueb1 größer als der zweite Überspannungswert U_ueb2 ist, wird die Korrekturrichtung d beibehalten und unmittelbar nach dem ersten Entscheidungsschritt E1 entlang des negativen Ablaufpfades N der vierte Schritt S4 ausgeführt.
Im vierten Schritt S4 wird die Totzeit t_tot in der Korrekturrichtung d um die Totzeitänderungsschrittweite d_t_tot verändert, als Formel ausgedrückt: t_tot := t_tot + d·d_t_tot.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Totzeitänderungsschrittweite d_t_tot zusätzlich mit einem Verstärkungsfaktor K von mindestens 1 und einer mit einem positiven Exponenten x potenzierten Regelabweichung zwischen dem zweiten Überspannungswert U_ueb2 und dem Sollwert der Messspannung U_soll multipliziert werden werden, als Formel ausgedrückt: t_tot := t_tot + d·K·(U_ueb2 – U_soll)^x wobei y^x den zur x-ten Potenz erhobenen Wert von y darstellt.
Im Anschluss an den vierten Schritt S4 wird der fünfte Schritt S5 wie zur 4 bereits beschrieben abgearbeitet und nachfolgend mit dem modifizierten zweiten Schritt S2’ fortgefahren.
Wenn der im modifizierten zweiten Schritt S2’ ermittelte zweite Überspannungswert U_ueb2 kleiner oder gleich dem Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz ist, so wird anschließend an den zweiten Entscheidungsschritt E2 ein siebter Schritt S7 ausgeführt, in dem die Iterationszahl Z inkrementiert wird, als Formel ausgedrückt: Z := Z + 1.
Im Anschluss an den siebten Schritt S7 wird in einem dritten Entscheidungsschritt E3 geprüft, ob die Iterationszahl Z größer als 1 ist. Falls die Iterationszahl Z größer als 1 ist, wird entlang eines positiven Ablaufpfades J als nächster Schritt der fünfte Schritt S5 wie zur 4 bereits beschrieben abgearbeitet und nachfolgend mit dem modifizierten zweiten Schritt S2’ fortgefahren.
Falls im dritten Entscheidungsschritt E3 festgestellt wird, dass die Iterationszahl Z nicht größer als 1 ist, wird entlang eines negativen Ablaufpfades N als nächster Schritt ein modifizierter vierter Schritt S4’ abgearbeitet. Im modifizierten vierten Schritt S4’ wird die Totzeit t_tot in der Korrekturrichtung d um die mit einer vorbestimmten Schrittzahl n multiplizierte Totzeitänderungsschrittweite d_t_tot verändert, als Formel ausgedrückt: t_tot := d·n·d_t_tot.
Mit anderen Worten: in dieser Ausführungsform des Verfahrens wird bei einem auf eine Änderung der Totzeit t_tot im vierten Schritt S4 folgenden Durchlauf nochmals eine Änderung der Totzeit t_tot um einen vorbestimmten Betrag n·d_t_tot in gleicher Richtung vorgenommen.
Durch Anpassung der vorbestimmten Schrittzahl n an das Schaltverhalten eines Verbrauchers X_L ist es möglich, das Ausmaß dieser nochmaligen Änderung der Totzeit t_tot so wählen, dass bei typischen Änderungen des vom Verbraucher X_L bezogenen Laststroms eine näherungsweise minimale Überspannung U_ueb erzielt wird.
Im Anschluss an den modifizierten vierten Schritt S4’ wird der fünfte Schritt S5 wie zur 4 bereits beschrieben abgearbeitet und nachfolgend mit dem modifizierten zweiten Schritt S2’ fortgefahren.
Falls im dritten Entscheidungsschritt E3 festgestellt wird, dass die Iterationszahl Z größer als 1 ist, wird entlang eines positiven Ablaufpfades J als nächster Schritt der fünfte Schritt S5 wie zur 4 bereits beschrieben abgearbeitet und nachfolgend mit dem modifizierten zweiten Schritt S2’ fortgefahren.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die in 8 dargestellte Ausführungsform des Verfahrens eine besonders schnelle und zugleich stabile Verringerung einer Regelabweichung bei einer Laständerung ohne fortlaufende Messung der Messspannung U_aus, wenn das Schaltverhalten eines versorgten Verbrauchers X_L im Voraus bestimmbar ist. Somit können besonders einfache und stabile Schaltnetzteile entwickelt werden, die sich durch Anpassung des Verstärkungsfaktors K und/oder des Exponenten x und/oder der Schrittzahl n leicht für die Versorgung von Verbrauchern X_L mit unterschiedlichem, aber bekanntem Schaltverhalten anpassen lassen.
Bezugszeichenliste

1: Schaltnetzteil
1.1, 1.2: Eingangskontakte
1.3, 1.4: Messausgangskontakte, Messausgang
1.5: Schaltregler
1.5.1: erstes Schaltelement
1.5.2: zweites Schaltelement
2: Messeinheit
3: Verarbeitungseinheit
4: Steuereinheit
X_L: Lastwiderstand, Verbraucher
C: Kapazität
L: Induktivität
U_ein: Eingangsgleichspannung
U_aus: Messspannung
U_soll: Sollwert der Messspannung
U_ueb: Überspannung
t: Zeit, Zeitachse
t_tot: Totzeit
t_tot*: optimale Totzeit
t_schalt: Umschaltzeitpunkt
t_mess: Messzeitfenster
S0: Startpunkt
S1 bis S7: erster bis siebter Schritt
S2’: modifizierter zweiter Schritt
S4’: modifizierter vierter Schritt
E1, E1, E3: erster bis dritter Entscheidungsschritt
J: positiver Ablaufpfad
N: negativer Ablaufpfad

Claims

Verfahren zur Anpassung einer Totzeit (t_tot) zwischen dem Beginn des Öffnens eines ersten Schaltelements (1.5.1) und dem Beginn des Schließens eines zu diesem in Reihe geschalteten zweiten Schaltelements (1.5.2) in einem Schaltregler (1.5) eines Schaltnetzteils (1), – wobei eine Messspannung (U_aus) über dem zweiten Schaltelement (1.5.2) gemessen wird und – wobei die Totzeit (t_tot) so variiert wird, dass eine Regelabweichung der gemessenen Messspannung (U_aus) von einem Sollwert (U_soll) der Messspannung minimiert oder begrenzt wird und – wobei das erste und das zweite Schaltelement (1.5.1, 1.5.2) mit der so ermittelten Totzeit (t_tot) angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch – einen ersten Schritt (S1) umfassend eine Initialisierung der Totzeit (t_tot), eine Initialisierung eines ersten Überspannungswerts der Messspannung (U_aus) mit einem Überspannungsstartwert größer oder gleich einer maximal messbaren Überspannung und eine Initialisierung einer Korrekturrichtung für die Änderung der Totzeit (t_tot), – einen zweiten Schritt (S2) umfassend die Messung eines zweiten Überspannungswerts der Messspannung (U_aus) in einem Messzeitfenster (t_mess) innerhalb der Totzeit (t_tot), – einen dritten Schritt (S3) umfassend die Umkehrung der Korrekturrichtung, falls der zweite Überspannungswert größer ist als der erste Überspannungswert, – einen vierten Schritt (S4) umfassend die Änderung der Totzeit (t_tot) in der Korrekturrichtung um eine Totzeitänderung und – einen fünften Schritt (S5) umfassend die Überschreibung des ersten Überspannungswerts mit dem zweiten Überspannungswert, wobei der Ablauf vom zweiten bis zum fünften Schritt (S2 bis S5) mindestens einmalig wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem den zweiten Schritt (S2) ersetzenden modifizierten zweiten Schritt (S2’) der zweite Überspannungswert als Maximalwert der Messspannung (U_aus) über einen kompletten Schaltzyklus gemessen wird sowie weiter dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt (S3) und der vierte Schritt (S4) entfallen, wenn der zweite Überspannungswert kleiner oder gleich einem Überspannungsgrenzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überspannungsgrenzwert aus dem Sollwert (U_soll) für die Messspannung (U_aus) durch Multiplikation mit einem Toleranzfaktor von mindestens 1 ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeitänderung durch Multiplikation der Differenz zwischen dem ersten Überspannungswert und dem zweiten Überspannungswert mit einer Totzeitänderungsschrittweite ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeitänderung als Produkt aus – einem Verstärkungsfaktor von mindestens 1, – der mit einem Exponenten von mindestens 1 potenzierten Differenz zwischen dem zweiten Überspannungswert und dem Sollwert (U_soll) der Messspannung (U_aus) und – einer Totzeitänderungsschrittweite gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Verstärkungsfaktor im Bereich von 1 bis 10 und wobei der Exponent im Bereich von 1 bis 5 gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein modifizierter vierter Schritt (S4’) dann ausgeführt wird, wenn der zweite Überspannungswert kleiner oder gleich dem Überspannungsgrenzwert ist und wenn in dem vorangegangenen Durchlauf des Verfahrens der zweite Überspannungswert größer als der Überspannungsgrenzwert war, wobei in dem modifizierten vierten Schritt (S4’) die Totzeit (t_tot) in der Korrekturrichtung um eine mit einer vorbestimmten Schrittzahl von mindestens 1 multiplizierte Totzeitänderungsschrittweite geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittzahl im Bereich von 1 bis 10 gewählt wird.
Vorrichtung zur Anpassung der Totzeit (t_tot) nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Messeinheit (2) zur Messung der Messspannung (U_aus) des Schaltnetzteils (1), eine mit der Messeinheit (2) verbindbare Verarbeitungseinheit (3) zur Berechnung eines Totzeitwertes (t_tot) sowie eine mit der Verarbeitungseinheit (3) verbindbare Steuereinheit (4) zur Ansteuerung des ersten und zweiten Schaltelements (1.5.1, 1.5.2) in dem Schaltregler (1.5) des Schaltnetzteils (1).
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Schaltelement (1.5.1, 1.5.2) als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind und dass die Steuereinheit (4) zur Ansteuerung von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ausgebildet ist.