DE102015214165A1

DE102015214165A1 - Schaltregler zum Erzeugen einer Mehrzahl von Gleichspannungen

Info

Publication number: DE102015214165A1
Application number: DE102015214165.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Haggenmiller; Thomas Franz; Walter Schrod
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2017-02-02
Also published as: US20170033695A1; CN106411137A; US9985531B2; CN106411137B

Abstract

Es wird ein Schaltregler zum Erzeugen einer Mehrzahl von Gleichspannungen beschrieben, der neben einem Primärkreis (Pk) und zumindest zwei Hauptsekundärkreisen (Sk1, Sk2) einen Hilfssekundärkreis (Skh) aufweist, wobei nur dieser Hilfssekundärkreis (Skh) mittels einer Regelschaltung (R) geregelt wird. Der Betrieb des Hilfssekundärkreises (Skh) erfolgt nahezu leistungslos, wobei dessen Zeitkonstante aus einer Parallelschaltung aus einem dritten Ausgangskondensator (C3) und einem Hilfslastwiderstand (RL) kleiner ist als die durchschnittlichen Zeitkonstanten des zumindest ersten und zweiten Hauptsekundärkreises (Ls1, Ls2), die sich aus deren Ausgangskondensatoren (C1, C2) und den durchschnittlichen Werten der anzuschließenden Lastwiderstände ergeben.

Description

Die Beschreibung betrifft einen Schaltregler zum Erzeugen einer Mehrzahl von Gleichspannungen mit einem ersten und einem zweiten Eingangsspannungsanschluss, zwischen denen ein Primärkreis aus zumindest einer Serienanordnung aus einer Primärspule und einem ersten steuerbaren Schaltmittel verschaltet ist, mit zumindest einem ersten und einem zweiten Paar von Ausgangsspannungsanschlüssen mit einem ersten bzw. einem zweiten Anschluss für ein hohes und einem ersten bzw. einem zweiten Anschluss für ein niederes Ausgangsspannungspotential.
Der Schaltregler weist zudem zumindest einen ersten und einen zweiten Sekundärkreis auf, die mit einer ersten bzw. einer zweiten Sekundärspule, die jeweils mit der Primärspule magnetisch gekoppelt sind, gebildet sind, wobei ein jeweils erster Anschluss einer Sekundärspule über eine erste bzw. eine zweite Diode mit dem ersten bzw. dem zweiten Anschluss für ein hohes Ausgangsspannungspotential und ein jeweils zweiter Anschluss einer Sekundärspule mit dem ersten bzw. dem zweiten Anschluss für ein niederes Ausgangsspannungspotential verbunden ist.
Der Serienschaltung aus einer Sekundärspule und einer Diode ist ein erster bzw. ein zweiter Ausgangskondensator parallel geschaltet. Der zweite Eingangsspannungsanschluss und zumindest einer der zweiten Anschlüsse für ein niederes Ausgangsspannungspotential bilden ein Bezugspotential. Es ist eine Regelschaltung mit einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluss vorgesehen, der den Ausgangsanschluss mit einem Steueranschluss des steuerbaren Schaltmittels verbindet.
Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der DE 102 59 353 A1 bekannt.
Bei der Erzeugung mehrerer Ausgangsspannungen mittels eines Schaltreglers besteht das Problem, dass entweder alle Ausgangsspannungen mit entsprechendem Aufwand einzeln geregelt werden müssen oder nur eine der Ausgangsspannungen geregelt wird und die anderen mitgezogen werden, was jedoch dazu führen kann, dass die nicht geregelten(n) Ausgangsspannungen(en) früher absinken und aufgrund der zu spät einsetzenden Regler unterhalb ihres Sollbereichs betrieben werden und eine angeschlossene Last folglich nicht ordnungsgemäß versorgt wird.
Die DE 102 59353 A1 schlägt vor, die einzelnen Sekundärkreise mittels eines Reglers im Zeitmultiplex-Betrieb zu regeln. Jedoch ist auch dies mit einem nicht geringen Steuerungsaufwand verbunden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Schaltregler anzugeben, der mit wenig Aufwand eine stabile Ausgangsspannung unter vorgegebenen Bedingungen ermöglicht.
In erfindungsgemäßer Weise weist ein gattungsgemäßer Schaltregler einen Hilfssekundärkreis mit einem ersten und einem zweiten Anschluss auf, zwischen denen die Serienschaltung aus einer dritten in Flussrichtung gepolten Diode und eine Parallelschaltung aus einem dritten Ausgangskondensator und einem Hilfslastwiderstand verschaltet ist. Der erste Anschluss des Hilfssekundärkreises ist mit einem ersten Anschluss einer Hilfssekundärspule verbunden, die mit der Primärspule magnetisch gekoppelt ist, während der zweite Anschluss des Hilfssekundärkreises mit einem zweiten Anschluss der Hilfssekundärspule und mit dem Bezugspotential verbunden ist. Der Verbindungspunkt der dritten Diode und der Parallelschaltung aus dem dritten Ausgangskondensator und dem Hilfslastwiderstand ist mit dem Eingangsanschluss der Regelschaltung verbunden, wobei die Zeitkonstante der Parallelschaltung aus dem dritten Ausgangskondensator und dem Hilfslastwiderstand kleiner ist als die durchschnittlichen Zeitkonstanten des zumindest ersten und zweiten Sekundärkreises, die sich aus den Ausgangskondensatoren und den durchschnittlichen Werten der anzuschließenden Lastwiderstände ergeben.
Die Werte für den Hilfslastwiderstand und den dritten Ausgangskondensator sind dabei derart gewählt, dass der Hilfssekundärkreis nahezu leistungslos betrieben wird. Durch die kleine Zeitkonstante entlädt sich der Ausgangskondensator des Hilfssekundärkreises schneller als die Ausgangskondensatoren der Hauptsekundärkreise, sodass normalerweise die Regelung wieder einsetzt bevor die Spannungen an den Ausgängen der Hauptsekundärkreise unter einen Wert abgesunken sind, der ein ordnungsgemäßes Betreiben einer angeschlossenen Last nicht mehr in vorgeschriebener Weise ermöglichen würde.
Durch den nahezu leistungslosen Betrieb des Hilfssekundärkreises ist kein erhöhter Energieverbrauch gegeben und der Hilfssekundärkreis lässt sich mit kleinen und billigen Bauteilen in einfacher und kostengünstiger Weise realisieren.
In einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Schaltreglers ist die Hilfssekundärspule eine dritte Sekundärspule, sodass der Hilfssekundärkreis ein echter Sekundärkreis ist.
Als Hilfssekundärspule kann in einer anderen Ausbildung der Erfindung jedoch auch eine der zumindest zwei weiteren Hauptsekundärspulen verwendet werden, sodass auf diese Weise eine Sekundärspule eingespart werden kann.
In einer anderen Ausbildung der Erfindung ist der erste Anschluss des Hilfssekundärkreises mit dem Verbindungspunkt der Diode und dem Ausgangskondensator des Sekundärkreises mit der als Hilfssekundärspule dienenden Hauptsekundärspule verbunden.
Dadurch setzt die Regelung erst ein, wenn auch der Ausgangskondensator dieses Sekundärkreises unter einen bestimmten Wert gefallen ist und damit den Ausgangskondensator des Hilfssekundärkreises nicht mehr über die dritte Diode nachladen kann.
In einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Schaltreglers kann zumindest einer der Anschlüsse für ein niedriges Ausgangsspannungspotential ein gegenüber dem Bezugspotential negatives Potential aufweisen, wodurch diese Schaltregler auch für Anwendungen zu verwenden sind, die neben positiven auch negative Potentiale erfordern, insbesondere auf ein negatives Potential bezogen sein müssen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Schaltreglers,
2 eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Schaltreglers und
3 eine dritte Ausführung eines erfindungsgemäßen Schaltreglers.
Die 1–3 zeigen als gemeinsame Schaltungsbestandteile jeweils einen Primärkreis Pk, bei dem zwischen zwei Eingangsspannungsanschlüssen 1, 2 die Serienschaltung aus einer Primärspule Lp und einem Schaltelement T, das im dargestellten Beispiel als MOSFET ausgebildet ist, verschaltet sind. Der Serienschaltung aus der Primärspule Lp und dem Schaltelement T ist ein Eingangskondensator Cin zur Stabilisierung der Eingangsspannung Vin parallel geschaltet. Das Potential am zweiten Anschluss 2 für die Eingangsspannung Vin ist ein Bezugspotential GND.
Mit der Primärspule Lp des Primärkreises Pk sind sekundärseitig zwei Sekundärspulen Ls1, Ls2 magnetisch gekoppelt, die Bestandteile eines ersten Sekundärkreises Sk1 und eines zweiten Sekundärkreises Sk2 sind. Die in den Sekundärspulen Ls1, Ls2 induzierten Spannungen werden jeweils über Dioden D1 bzw. D2 an Ausgangskondensatoren C1 bzw. C2 angelegt, wodurch diese geladen werden. An den Ausgangskondensatoren C1, C2 liegen die Ausgangsspannungen V1, V2 an jeweiligen Ausgangsspannungsanschlüssen 3, 4 bzw. 5, 6.
Der zweite Anschluss 4 für ein niederes Ausgangsspannungspotential des ersten Sekundärkreises Sk1 ist ebenfalls mit dem Bezugspotential GND verbunden, während im dargestellten Ausführungsbeispiel der zweite Anschluss 6 für ein niederes Ausgangsspannungspotential des zweiten Sekundärkreises Sk2 mit einem negativen Potential Voffset verbunden ist.
Der in den 1–3 dargestellte Schaltregler mit zwei Ausgangskreisen Sk1, Sk2 kann beispielsweise bei einer variablen Eingangsspannung von +6–+36 Volt, wie sie in automotiven Anwendungen häufig zu Verfügung steht, zwei konstante Ausgangsspannungen von +15 und –35 Volt zu Verfügung stellen, wobei die zweite Ausgangsspannung mit dem Wert von –35 Volt gegenüber einem negativen Potential Voffset von –50 Volt ebenfalls eine Potentialdifferenz und damit eine Ausgangsspannung von 15 Volt zur Verfügung stellt.
Diese Ausgangsspannungen dienen zur Ansteuerung von Leistungsschaltern, die Spannungen von –50–+200 Volt schalten sollen, beispielsweise zur Ansteuerung von Piezoendstufen der neueren Generation. Diese Piezoendstufen dienen zur Ansteuerung von Piezoeinspritzventilen.
Als Last für die Sekundärkreise Sk1, Sk2 dienen also gemäß dem oben dargestellten Anwendungsbeispiel die Eingänge von Leistungstransistoren, die gepulst betrieben werden, um die Kapazitäten der Piezoaktoren aufladen zu können. Die Belastung der Sekundärkreise Sk1, Sk2 ist dabei sehr unterschiedlich, sodass die Ausgangspannungen V1, V2 der beiden Sekundärkreise Sk1, Sk2 unterschiedlichen Schwankungen unterliegen.
Um dafür zu sorgen, dass die Ausgangsspannungen V1, V2 auch unter extremen Lastbedingungen nicht unter einen bestimmten vorgegebenen Wert einbrechen, ist in erfindungsgemäßer Weise ein Hilfssekundärkreis Skh vorgesehen, dessen erster Anschluss 7 über eine dritte Diode D3 und die Parallelschaltung aus einem Ausgangskondensator C3 und einem Hilfslastwiderstand RL mit einem zweiten Anschluss 8 verbunden ist. Der zweite Anschluss 8 ist dabei mit dem Bezugspotential GND verbunden, während der erste Anschluss 7 über eine Hilfssekundärspule Lh bzw. Ls1 magnetisch mit der Primärspule Lp des Primärkreises Pk gekoppelt ist.
Der Verbindungspunkt der dritten Diode D3 mit der Parallelschaltung aus dem dritten Ausgangskondensator C3 und dem Hilfslastwiderstand RL ist mit dem Eingang einer Regelschaltung R verbunden, deren Ausgang den Steuereingang des Schaltelementes T des Primärkreises Pk ansteuert.
Die Regelung erfolgt dabei in bekannter Weise dadurch, dass die Spannung am dritten Ausgangskondensator C3 mit einer in der Regelschaltung R enthaltenen Referenzspannung verglichen wird und das Schaltelement T eingeschaltet wird, wenn die Spannung am dritten Ausgangskondensator C3 unter die Referenzspannung absinkt.
Der Hilfssekundärkreis Skh ist dabei nahezu leistungslos aufgebaut, das heißt, dass in erfindungsgemäßer Weise die Leistung, die vom Primärkreis Pk in den Hilfssekundärkreis Skh transportiert wird, wesentlich geringer ist als die Leistung, die in den Hauptsekundärkreisen Sk1, Sk2 benötigt wird.
Die Zeitkonstante des Parallelkreises aus dem dritten Ausgangskondensator C3 und dem Hilfslastwiderstand RL ist dabei geringer als die durchschnittliche Zeitkonstante der Sekundärkreise Sk1, Sk2, sodass die Regelung der Spannung am dritten Ausgangskondensator C3 wieder früher einsetzt als bei den Sekundärkreisen Sk1, Sk2. Die Spannung am dritten Ausgangskondensator C3 sinkt aufgrund der Dimensionierung dessen Wertes und des Wertes des Hilfslastwiderstandes RL schneller ab, da sich der dritte Ausgangskondensator C3 über den Hilfslastwiderstand RL schneller entlädt, als dies bei den Sekundärkreisen Sk1, Sk2 der Fall ist.
Auf diese Weise kann durch einfache und billige Bausteine C3, RL des Hilfssekundärkreises Skh eine Regelung realisiert werden, die dafür sorgt, dass die Ausgangsspannungen V1, V2 der Sekundärkreise Sk1, Sk2 in einem vorgegebenen Spannungsbereich bleiben.
In der 1 ist eine erste Realisierung der Hilfssekundärspule Lh dargestellt, die als echte Sekundärspule ausgebildet ist, sodass der Hilfssekundärkreis Skh einen dritten Sekundärkreis bildet. Der erste Anschluss des Hilfssekundärkreises Skh kann gemäß 2 jedoch auch mit dem ersten Anschluss der ersten Sekundärspule Ls1 verbunden werden, wodurch eine zusätzliche Sekundärspule Lh eingespart werden kann.
Eine weitere Möglichkeit der Verbindung des ersten Anschlusses des Hilfssekundärkreises Skh ist in der 3 gezeigt, bei dem der erste Anschluss des Hilfssekundärkreises Skh mit dem Verbindungspunkt der ersten Diode D1 mit dem ersten Ausgangskondensator C1 des ersten Sekundärkreises Sk1 verbunden ist.
Bei dieser Variante kann bei ausreichender Ausgangsspannung V1 am ersten Sekundärkreis Sk1 der dritte Ausgangskondensator C3 des Hilfssekundärkreises Skh über die dritte Diode D3 nachgeladen werden, bis die erste Ausgangsspannung V1 unter dem Wert der Referenzspannung in der Regelschaltung R absinkt und die Regelung durch Einschalten des Schaltelements T des Primärkreises Pk wieder einsetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10259353 A1 [0004, 0006]

Claims

Schaltregler zum Erzeugen einer Mehrzahl von Gleichspannungen mit einem ersten und einem zweiten Eingangsspannungsanschluss (1, 2), zwischen denen ein Primärkreis (Pk) aus zumindest einer Serienanordnung aus einer Primärspule (Lp) und einem ersten steuerbaren Schaltmittel (T) verschaltet ist, mit zumindest einem ersten (3, 4) und einem zweiten (5, 6) Paar von Ausgangsspannungsanschlüssen, die einen ersten bzw. einem zweiten Anschluss (3, 5) für ein hohes und einen ersten bzw. einem zweiten Anschluss (4, 6) für ein niederes Ausgangsspannungspotential (GND, Voffset) bilden, mit zumindest einem ersten und einem zweiten Sekundärkreis (Sk1, Sk2), die mit einer ersten bzw. einer zweiten Sekundärspule (Ls1, Ls2), die jeweils mit der Primärspule (Lp) magnetisch gekoppelt sind, gebildet sind, wobei ein jeweils erster Anschluss einer Sekundärspule (Ls1, Ls2) über eine erste bzw. eine zweite Diode (D1, D2) mit dem ersten bzw. dem zweiten Anschluss (3, 5) für ein hohes Ausgangsspannungspotential und ein jeweils zweiter Anschluss einer Sekundärspule (Ls1, Ls2) mit dem ersten bzw. dem zweiten Anschluss (4, 6) für ein niederes Ausgangsspannungspotential (GND, Voffset) verbunden ist, wobei der Serienschaltung aus einer Sekundärspule (Ls1, Ls2) und einer Diode (D1, D2) ein erster bzw. ein zweiter Ausgangskondensator (C1, C2) parallel geschaltet ist, wobei der zweite Eingangsspannungsanschluss (2) und zumindest einer der zweiten Anschlüsse (4, 6) für ein niederes Ausgangsspannungspotential (GND, Voffset) ein Bezugspotential (GND) bilden, und wobei eine Regelschaltung (R) mit einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluss vorgesehen ist, deren Ausgangsanschluss mit einem Steueranschluss des steuerbaren Schaltmittels (T) verbunden ist, gekennzeichnet durch, einen Hilfssekundärkreis (Skh) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss (7, 8), zwischen denen die Serienschaltung aus einer dritten in Flussrichtung gepolten Diode (D3) und einer Parallelschaltung aus einem dritten Ausgangskondensator (C3) und einem Hilfslastwiderstand (RL) verschaltet ist, wobei der erste Anschluss (7) des Hilfssekundärkreises (Skh) mit einem ersten Anschluss einer Hilfssekundärspule (Lh); Ls1) verbunden ist, die mit der Primärspule (Lp) magnetisch gekoppelt ist, wobei der zweite Anschluss (8) des Hilfssekundärkreises (Skh) mit einem zweiten Anschluss der Hilfssekundärspule (Lh) und mit dem Bezugspotential (GND) verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt der dritten Diode (D3) und der Parallelschaltung aus dem dritten Ausgangskondensator (C3) und dem Hilfslastwiderstand (RL) mit dem Eingangsanschluss der Regelschaltung (R) verbunden ist, und wobei die Zeitkonstante der Parallelschaltung aus dem dritten Ausgangskondensator (C3) und dem Hilfslastwiderstand (RL) kleiner ist als die durchschnittlichen Zeitkonstanten des zumindest ersten und zweiten Sekundärkreises (Ls1, Ls2), die sich aus den Ausgangskondensatoren (C1, C2) und den durchschnittlichen Werten der anzuschließenden Lastwiderstände ergeben.
Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfssekundärspule eine dritte Sekundärspule (Lh) ist.
Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfssekundärspule eine der zumindest zwei Sekundärspulen (Ls1) ist.
Schaltregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss des Hilfssekundärkreises (Skh) mit dem Verbindungspunkt der Diode (D1) und dem Ausgangskondensator (C1) des Sekundärkreises (Sk1) mit der als Hilfssekundärspule fungierenden Sekundärspule (Ls1) verbunden ist.
Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder der zweite Anschluss (4, 6) für ein niederes Ausgangsspannungspotential (Voffset) ein gegenüber dem Bezugspotential (GND) negatives Potential aufweist.
Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile des Hilfssekundärkreises (Skh) so dimensioniert sind, dass die vom Primärkreis (Pk) zum Hilfssekundärkreis (Skh) übertragbare Leistung wesentlich kleiner ist als die vom Primärkreis zum ersten und zweiten Sekundärkreis übertragbaren Leistungen.