DE102016012352A1 - Buck-Boost-Schaltwandler - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Buck-Boost-Schaltwandler, mit einer Wandlerbrücke, die zumindest mehrere steuerbare Schalter, eine Speicherinduktivität und eine Speicherkapazität aufweist, und mit einer Steuervorrichtung, die die steuerbaren Schalter zum Betrieb in entweder einer Buck-, Boost- oder Buck-Boost-Betriebsart ansteuert, wobei die steuerbaren Schalter von der Steuervorrichtung durch jeweils ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert werden, wobei die pulsweitenmodulierten Signale jeweils durch Vergleich eines sägezahnförmigen Rampensignals mit einer Vergleichsgröße erzeugt werden, wobei beide Rampensignale die gleiche Rampensteigung aufweisen, und sich der Startwert des einen Rampensignals an den Endwert des anderen Rampensignals anschließt, wobei die Wandlerbrücke genau zwei steuerbare Schalter aufweist, wobei die pulsweitenmodulierten Signale zur Ansteuerung der beiden steuerbaren Schalter durch jeweils einen Peak-Current-Controller erzeugt werden, wobei die Peak-Current-Controller intern jeweils ein zeitlich fallendes Rampensignal erzeugen und ein dem Strom durch die Speicherinduktivität proportionales Signal als Vergleichsgröße zu den Rampensignalen verwenden, wobei ein Mikrocontroller den Peak-Current-Controller jeweils einen Rampenstartwert als Stellgröße sowie einen gemeinsamen Rampensteigungswert vorgibt, wobei der Mikrocontroller die Rampensteigung und den Abstand der Rampensignale, als ausschließliche Funktion der Ausgangsspannung der Wandlerbrücke ermittelt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Buck-Boost-Schaltwandler, mit einer Wandlerbrücke, die zumindest mehrere steuerbare Schalter, eine Speicherinduktivität und eine Speicherkapazität aufweist, und mit einer Steuervorrichtung, die die steuerbaren Schalter zum Betrieb in entweder einer Buck-, Boost- oder Buck-Boost-Betriebsart ansteuert, wobei die steuerbaren Schalter von der Steuervorrichtung durch jeweils ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert werden, wobei die pulsweitenmodulierten Signale jeweils durch Vergleich eines sägezahnförmigen Rampensignals mit einer Vergleichsgröße erzeugt werden, wobei beide Rampensignale die gleiche Rampensteigung aufweisen, und sich der Startwert des einen Rampensignals an den Endwert des anderen Rampensignals anschließt.
• Ein Buck-Boost-Schaltwandler, der in drei Betriebsarten arbeiten kann, ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 044 063 A1 bekannt. Zur Steuerung des bekannten Schaltwandlers wird ein pulsweitenmoduliertes Signal mittels zweier rampenförmiger Schwellenwerte erzeugt. Ein erster Schwellenwert ist hierbei mit dem Buck-Modus und ein zweiter mit dem Boost-Modus assoziiert. Des Weiteren wird ein mit dem durch die Induktivität des Schaltwandlers fließenden Strom assoziiertes gleitendes Funktionssignal verwendet. Ein analoger Regler verstellt das gleitende Funktionssignal als Stellgröße.
• Der aus der DE 10 2010 044 063 A1 bekannte Schaltwandler weist vier steuerbarer Schalter auf und kann in einem bidirektionalen oder auch in einem unidirektionalen Betrieb eingesetzt werden. Für einen unidirektionalen Betrieb könnten prinzipiell auch einfachere und kostengünstigere Schaltwandler vorgesehen werden, die nur zwei steuerbare Schalter aufzuweisen brauchen. Allerdings ist das aus der DE 10 2010 044 063 A1 bekannte Steuerungsverfahren dann nicht verwendbar, da dieses eine Hardware mit vier steuerbaren Schalter zwingend voraussetzt.
• Es stellte sich die Aufgabe, ein Verfahren zum unidirektionalen Betreiben eines besonders kostengünstigen Buck-Boost-Schaltwandler zu schaffen, welches auf einfache Weise einen schnellen und glatten Übergang zwischen den verschiedenen Betriebsmodi ermöglicht und einen vorgegebenen Eingangsspannungsbereich lückenlos abdeckt.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Wandlerbrücke genau zwei steuerbare Schalter aufweist, dass die pulsweitenmodulierten Signale zur Ansteuerung der beiden steuerbaren Schalter durch jeweils einen Peak-Current-Controller erzeugt werden, dass die Peak-Current-Controller intern jeweils ein zeitlich fallendes Rampensignal erzeugen und ein dem Strom durch die Speicherinduktivität proportionales Signal als Vergleichsgröße zu den Rampensignalen verwenden, dass ein Mikrocontroller den Peak-Current-Controller jeweils einen Rampenstartwert als Stellgröße sowie einen gemeinsamen Rampensteigungswert vorgibt, wobei der Mikrocontroller die Rampensteigung und den Abstand der Rampensignale als ausschließliche Funktion der Ausgangsspannung der Wandlerbrücke ermittelt.
• Vorteilhaft ist, dass das ausgeführte Regelverfahren relativ einfach ist und die Regler weitgehend durch Software realisierbar sind. Darüber hinaus ist auch die Hardware durch nur zwei benötigte steuerbare Halbleiterschalter relativ einfach und kostengünstig. Die Eingangsspannung wird von der Steuervorrichtung nicht als Eingangsparameter benötigt.
• Besonders vorteilhaft ist, dass die Umschaltung zwischen Buck- und Boost-Modus selbsttätig erfolgt, ohne dass eine explizite Detektion des Arbeitspunktes und des aktuellen Betriebsmodus notwendig ist. Der Regelalgorithmus ist dadurch recht einfach und die Regelung unempfindlich gegenüber Störungen. Auch lässt sich mit einfachen Mitteln eine hohe Regelungsbandbreite von beispielsweise > 10 kHz erreichen.
• Im Gegensatz zu dem in der DE 10 2010 044 063 A1 bekannten Schaltwandler, wird bei dem hier beschriebenen Schaltwandler die Pulsweitenmodulation mittels zweier aneinander gekoppelter Schwellen, deren Abstand und Startwert variabel sind erzeugt. Statt zweier fester assoziierten Schwellen werden hier somit zwei aneinander gekoppelte variable Schwellen verwendet.
• Statt eines gleitenden Funktionssignals, das mit dem Strom durch die Induktivität assoziiert ist, wird der Strom durch die Induktivität selbst als Eingangsgröße verwendet. Anstelle des Funktionssignals wird vom Regler der Startwert des Rampensignals als Stellgröße von einem Peak-Current-Control-Regler verwendet.
• Die Umschaltung zwischen Buck-, Boost- und Buck-Boost-Modus findet automatisch auf Basis des Verhältnisses von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung sowie des fließenden Stroms statt. Ein explizite Erkennung des jeweils einzustellenden Modus ist für die Umschaltung vorteilhafterweise nicht erforderlich.
• Die Peak-Current-Controller können entweder als externe analoge Schaltkreise ausgeführt sein oder auch durch einen zur Steuervorrichtung gehörenden Mikrocontroller, der die Rampenwerte digital berechnet. Auch die zu den Peak-Current-Controllern gehörenden Komparatoren können als Analogschaltkreis innerhalb des Mikrocontrollers verbaut sein.
• Zur Bestimmung des Rampenstartwerts des ersten Peak-Current-Controllers ist diesem ein Regler vorgelagert, der besonders vorteilhaft als PI-Regler ausgeführt sein kann. Grundsätzlich können hier aber auch andere lineare oder nichtlineare Regler verwendet werden, da die Peak-Current-Controller für ein lineares Übergangsverhalten sorgen. Eine alternative Ausführung wäre etwa die Verwendung eines Zustandsreglers, der allerdings aufwändiger in der Auslegung wäre.
• Im Folgenden soll der Aufbau und die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Buck-Boost-Wandlers anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen die
• 1 ein erstes Prinzipschaltbild des Buck/Boost-Wandlers,
• 2 ein zweites Prinzipschaltbild des Buck/Boost-Wandlers,
• 3 Signalverläufe im Buck-Betrieb,
• 4 Signalverläufe im Boost-Betrieb,
• 5 Signalverläufe von Rampenstartwerten,
• 6 Signalverläufe von Rampensignalen.
• Die 1 und 2 zeigen den Aufbau eines erfindungsgemäßen Buck-Boost-Wandlers in zwei, einander ergänzenden schematischen Darstellungen. Die 1 verdeutlicht das Schaltungsprinzip anhand der schematischen Darstellung einer Wandlerbrücke W. Die Wandlerbrücke W bildet zwei Brückenzweige aus, bestehend aus jeweils einer Diode D₁ , D₂ und einem steuerbaren Schalter S₁ , S₂ . Die beiden Brückenzweige sind durch eine Speicherinduktivität L miteinander gekoppelt. Ein mit den Ausgangsleitungen der Wandlerbrücke W verbundener Kondensator C bildet ein weiteres energiespeicherndes Bauelement.
• Die steuerbaren Schalter S₁ , S₂ sind als Transistoren ausgeführt, deren Ein- und Ausschaltzustände durch eine hier als Schaltungsblock dargestellte Steuervorrichtung ST gesteuert werden. Die Ansteuerung der Schalter S₁ , S₂ erfolgt durch variabel getaktete binäre, das heißt pulsweitenmodulierte Signale pwm₁ , pwm₂ .
• Die Wandlerbrücke W kann sowohl als Buck- als auch als Boost-Wandler arbeiten. Das heißt, die Wandlerbrücke W kann ihre Eingangsspannung u_e entweder hoch- oder tiefsetzen, um ihre Ausgangsspannung u_a auf einen vorgegebenen Sollwert u_{a_set} zu transformieren. Im Umschaltzeitpunkt vom Buck-Betrieb zum Boost-Betrieb und umgekehrt ergibt sich jeweils eine Änderung des Übertragungsverhaltens der Schaltung. Dieses erfordert eine entsprechende Änderung der Ansteuerung der Schalter S₁ , S₂ durch die Steuervorrichtung ST.
• Erwähnenswert ist, dass die Steuervorrichtung ST als Eingangsparameter lediglich die Ausgangsspannung u_a und den Strom i_L durch die Speicherinduktivität L benötigt, und nicht etwa die Eingangsspannung u_e . Die Ansteuerung der Schalter S₁ , S₂ der Wandlerbrücke W ist damit nicht direkt von der Höhe Eingangsspannung u_e abhängig.
• Der Schalter S₁ ist der für den Buck-Betrieb wesentliche Schalter und wird daher im Folgenden auch als Buckschalter S₁ bezeichnet. Der Buck-Betrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannung u_e höher ist als die Ausgangsspannung u_a , so dass der Schaltwandler als Abwärtswandler arbeiten muss.
• Dieses wird durch eine getaktete Ansteuerung des Buckschalters S₁ erreicht, der in seiner Einschaltphase die Speicherinduktivität L bestromt. Die in der Speicherinduktivität L magnetisch gespeicherte Energie wird danach zum Ausgangskondensator C der Wandlerbrücke W übertragen. Dazu erforderlich ist, dass während des Buck-Betriebs der andere Schalter S₂ durch die Steuervorrichtung ST konstant im geöffneten Zustand gehalten wird.
• Der sogenannte Boost-Betrieb wird ausgeführt, wenn die Eingangsspannung u_e der Wandlerbrücke W geringer ist als die Ausgangsspannung u_a . In dieser Betriebsart steuert die Steuervorrichtung ST den steuerbaren Schalter S₂ getaktet an, während sie den Schalter S₁ konstant im geschlossenen Zustand hält. In den Öffnungsphasen des Schalters S₂ wird der in der Speicherinduktivität L gespeicherte Strom zum Kondensator C am Wandlerausgang übertragen. Dabei liegt die Spannung der Speicherinduktivität L in Reihe zur Eingangsspannung u_e , so dass hier die Ausgangsspannung u_a höher ist als die Eingangsspannung u_e . Im Boost-Betrieb arbeitet die Wandlerbrücke W somit als Aufwärtswandler. Da im Boost-Betrieb der Schalter S₂ aktiv ist, wird er im Folgenden auch als Boostschalter S₂ bezeichnet.
• Steuerungstechnisch schwieriger zu handhaben als die vorgenannten gut definierten Betriebsarten Buck-Betrieb und Boost-Betrieb, ist der sogenannte Buck-Boost-Betrieb, bei der die Eingangsspannung u_e mal größer oder mal kleiner als die Ausgangsspannung u_a ist.
• Hierbei schaltet der Schaltwandler entsprechend zwischen dem Buck-Betrieb und dem Boost-Betrieb hin und her, wobei es im Übergang zum sogenannten Buck-Boost-Betrieb kommt, bei dem es zu einem kurzzeitigen Überlappen des Taktens der beiden Schalter S₁ , S₂ kommt. Steuerungstechnisch erwünscht ist hier ein möglichst schneller und glatter Übergang zum folgenden Buck- oder Boost-Betrieb.
• Dieses wird erfindungsgemäß durch eine entsprechend der 2 aufgebauten Steuervorrichtung ST erreicht. Die 2 zeigt insgesamt ebenfalls den in der 1 dargestellten Buck-Boost-Wandler, diesmal aber mit einer vereinfachten Darstellung der Wandlerbrücke W.
• Dargestellt ist, dass die pulsweitenmodulierten Signale pwm₁ , pwm₂ durch jeweils einen Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ erzeugt und an die Wandlerbrücke W gegeben werden. Dabei dient das Ausgangssignal pwm₁ des ersten Peak-Current-Controllers PCC₁ zur Steuerung des Buckschalters S₁ , während das Ausgangssignal pwm₂ des zweiten Peak-Current-Controllers PCC₂ zur Ansteuerung des Boostschalters S₂ vorgesehen ist.
• Die Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ sind in der 2 als interne Komponenten des die Steuervorrichtung ST ausbildenden Mikrocontrollers MC dargestellt. Alternativ können die Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ auch durch handelsübliche externe analoge Schaltkreise ausgeführt werden. Wesentliche, aber hier nicht als Einzelkomponenten dargestellte interne Komponenten eines hard- oder softwaremäßig realisierten Peak-Current-Controllers PCC₁ , PCC₂ sind ein Rampengenerator, der ein sägezahnförmiges Rampensignal erzeugt, dessen Startwert und Steigung durch von außen angelegte elektrische Signale beeinflussbar sind, sowie eine Komparatorschaltung, die den Wert eines weiteren angelegten Signals mit dem Rampensignal vergleicht und einen dem Vergleichsergebnis entsprechenden Signalwert eines binären Signals am Ausgang des Schaltkreises ausgibt.
• Die binären Ausgangssignale der Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ ergeben hier die pulsweitenmodulierten Signale pwm₁ und pwm₂ zur Ansteuerung der in der 1 dargestellten Buck- und Boostschalter S₁ , S₂ . Wie die 2 andeutet, wird beiden Peak-Current-Controllern PCC₁ , PCC₂ jeweils der Wert des Spulenstroms i_L (oder ein dazu proportionaler Spannungswert) zugeführt, der intern jeweils zum Vergleich mit den Rampensignalen i_{Rp_Buck} , i_{Rp_Boost} verwendet wird.
• Die von den beiden Peak-Current-Controllern PCC₁ , PCC₂ erzeugten Rampensignale i_{Rp_Buck} , i_{Rp_Boost} weisen bezüglich der Zeitachse die gleiche Rampensteigung auf, die ihnen von dem Mikrocontroller MC durch einen Rampensteigungswert S_m vorgegeben wird. Der konkrete Wert dieses Rampensteigungswerts S_m wird durch den Mikrocontroller MC proportional zur Ausgangsspannung u_a der Wandlerbrücke W beeinflusst.
• Unterschiedlich sind an beiden Peak-Current-Controllern PCC₁ , PCC₂ lediglich die Startwerte i_{Ref_Buck} , i_{Ref_Boost} der Rampensignale i_{Rp_Buck} , i_{Rp_Boost} . Der Rampenstartwert i_{Ref_Buck} des ersten Peak-Current-Controllers PCC₁ wird durch eine lineare Regelung - hier realisiert durch einen PI-Regler PI - aus der Differenz zwischen der aktuell vorliegenden Ausgangsspannung u_a der Wandlerbrücke W und deren Differenz zu einem vorgegebenen Ausgangsspannungssollwert u_{a_set} bestimmt. Der Rampenstartwert i_{Ref_Boost} des zweiten Peak-Current-Controllers PCC₂ berechnet sich ausgehend vom Rampenstartwert i_{Ref_Buck} durch Hinzurechnung eines Rampenabstandswerts Δi_Ref , welcher proportional vom Wert der Ausgangsspannung u_a der Wandlerbrücke W abhängt.
• Die Wirkungsweise der Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ als Bestandteile eines erfindungsgemäßen Buck-Boost-Wandlers soll nachfolgend anhand der 3 und 4 erläutert werden, welche die Signalverläufe in den verschiedenen Betriebsarten darstellen.
• Die 3 zeigt vier Diagramme a) bis d), welche Signalverläufe der beiden Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ darstellen, wenn sich der Buck-Boost-Schaltwandler im Buck-Betrieb befindet, das heißt als Tiefsetzsteller arbeitet. Die Diagramme a) und b) zeigen dabei interne Signalverläufe der beiden Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ . Durch eine dünne abfallende Linie dargestellt ist jeweils der Verlauf eines sägezahnförmigen Rampensignals i_Rp__Buck, i_{Rp_Boost} über den Zeitraum von zwei Periodenzeiten T. Das Rampensignal i_{Rp_Buck} startet im Peak-Current-Controller PCC₁ mit dem durch den Mikrocontroller MC vorgegebenen Startwert i_{ref_Buck} und fällt mit dem, ebenfalls vom Mikrocontroller MC vorgegebenen Rampensteigungswert S_m in der Periodenzeit T bis auf den Werk i_{Ref_Boost} ab.
• Dabei ist i_{Ref_Boost} zugleich der Startwert des Rampensignals i_{Rp_Boost} des zweiten Peak-Current-Controllers PCC₂ , welcher diesen als Vorgabewert vom Mikrocontroller MC erhält und der mit der gleichen Steigung S_m abfällt wie das Rampensignal i_{Ref_Buck} des ersten Peak-Current-Controllers PCC₁ .
• Die Rampensignale i_Rp__Buck, i_{Rp_Boost} werden in jedem der beiden Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ mit dem Verlauf des an der Speicherinduktivität L der Wandlerbrücke W erfassten Stromwert i_L , oder einem aus dem Stromwert i_L abgeleiteten proportional skalierten Signal, verglichen.
• Ein zum jeweiligen Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ gehörender Komparator gibt als Vergleichsergebnis ein binäres Signal aus, welches entweder einen H- oder einen L-Pegel aufweisen kann. Wie die jeweils übereinander angeordneten Diagramme a) und c) beziehungsweise b) und d) der 3 deutlich machen, erfolgt eine Umschaltung der Ausgangssignale von einem H- zu einem L- Pegel immer dann, wenn der Wert des Spulenstromwertes I_L das jeweilige Rampensignal i_{RP_Buck}, i_{Rp_Boost} überschreitet. Ein Pegelwechsel von einem L- zu einem H-Pegel findet hingegen immer nur zum Anfang der festen Periodenzeit T statt, an dem auch beide Rampensignale i_Rp__Buck, i_{Rp_Boost} wieder auf den jeweiligen Startwert gesetzt werden. Der Pegelwechsel von einem L- zu einem H- Pegel wird nur ausgeführt, solange der Wert des Spulenstromes I_L den Startwert des jeweiligen Rampensignals i_{RP_Buck}, i_{RP_Boost} nicht überschreitet.
• Über den zeitlichen Verlauf ergibt sich so jeweils ein pulsweitenmoduliertes Signal pwm₁ , pwm₂ , welches vom Ausgang des jeweiligen Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ zur Ansteuerung an den zugehörigen Schalter S₁ , S₂ der Wandlerbrücke W gegeben wird.
• Es sei im Folgenden angenommen, dass ein H-Pegel den jeweiligen Schalter S₁ , S₂ einschaltet und ein L-Signal den jeweiligen Schalter S₁ , S₂ in den ausgeschalteten Zustand steuert. Das Ausgangssignal pwm₁ des ersten Peak-Current-Controllers PCC₁ steuert hier den Buckschalter S₁ , während das Ausgangssignal pwm₂ des zweiten Peak-Current-Controller PCC₂ entsprechend zu Ansteuerung des Boostschalters S₂ verwendet wird.
• Wie bereits erwähnt, stellt die 3 die Buck-Betriebsart des Schaltwandlers dar. Der Buckschalter S₁ ist anfangs eingeschaltet, wodurch der Spulenstrom i_L zunächst ansteigt. Unterschreitet der Wert des abfallenden Rampensignals i_{Rp_Buck} zum Zeitpunkt t_{d_Buck} den Wert des ansteigenden Spulenstroms i_L , so fällt das Ausgangssignal des ersten Peak-Current-Controller PCC₁ von H auf L. wodurch der Buckschalter S₁ abgeschaltet wird. Je früher der Spulenstrom i_L das Rampensignal i_{Rp_Buck} erreicht, desto eher erfolgt die Abschaltung, wodurch sich das Tastverhältnis des Schaltwandlers während des Buck-Betriebs einstellt.
• Wie das Diagramm b) der 3 zeigt, ist im zweiten Peak-Current-Controller PCC₂ der Wert des Rampensignals i_{RP_Boost} stets kleiner als der Wert des Spulenstroms i_L . Hierdurch ist das vom zweiten Peak-Current-Controller PCC₂ ausgegebene pulsweitenmodulierte Signal pwm₂ ein konstantes L-Signal. Dadurch bleibt der vom Peak-Current-Controller PCC₂ angesteuerte Boostschalter S₂ stets ausgeschaltet, so wie es für den Buck-Betrieb des Schaltwandlers erforderlich ist.
• Die 4 zeigt entsprechende Diagramme a) bis d) zur Verdeutlichung der Boost-Betriebsart des Wandlers. Im Vergleich zum Buck-Betrieb ergibt sich durch die Regelung im ersten Peak-Current-Controller PCC₁ jetzt ein Rampensignals i_{RP_Buck}, dessen Wert immer oberhalb des Spulenstroms i_L liegt. Damit ergibt sich als Ausgangssignal pwm₁ des ersten Peak-Current-Controllers PCC₁ ein konstantes H-Signal, durch das der Buckschalter S₁ ständig eingeschaltet bleibt.
• Im Gegensatz dazu überschneiden sich im zweiten Peak-Current-Controller PCC₂ die zeitlichen Verläufe des Rampensignals i_{Rp_Boost} und des Spulenstroms i_L , so dass das Ausgangssignal pwm₂ zwischen H- und L-Pegeln wechselt, wodurch der Boostschalter S₂ getaktet angesteuert wird.
• Unter der realistischen Annahme, dass sowohl im Buck-Betrieb wie im Boost-Betrieb der Mittelwert des Spulenstroms I_L annähernd gleichgroß ist, zeigt ein Vergleich der 3 und 4, dass sich das Verlauf der Rampensignale i_Rp__Buck, i_{Rp_Boost} und insbesondere deren Startwerte i_{Ref_Buck} und i_{Ref_Boost} beim Boost-Betrieb zu höheren Werten hin verschoben sind. Die Verschiebung der Rampensignale wird dabei durch die Regelung bewirkt und erfolgt beim Übergang zwischen den Betriebsarten relativ stetig.
• Die Differenz zwischen den Rampensignalen i_Rp__Buck, i_{Rp_Boost} ist genau so groß, dass das untere Ende des Buck-Rampensignals i_{Rp_Buck} dem Startwert i_{Ref_Boost} des Boost-Rampensignals i_{Rp_Boost} entspricht. Hierdurch findet der Verlauf des Spulenstroms i_L immer einen Schnittpunkt mit jeweils einem der Rampensignale i_Rp__Buck, i_{Rp_Boost}.
• Die genaue Stromform wird dabei von den Umgebungsspannungen u_e (implizit) und u_a bestimmt, ohne dass die Steuervorrichtung den Wert der Eingangsspannung u_e zu kennen braucht. Durch eine stetige Verschiebung der Lage der Rampensignalverläufe i_{Rp_Buck} und i_{RP_Boost} lässt sich auch ein stetiger Übergang zwischen den Betriebsarten erreichen.
• Zur weiteren Verdeutlichung sind in den 5 und 6 Daten einer Schaltungssimulation eines erfindungsgemäßen Buck-Boost-Wandlers dargestellt. Beide Figuren zeigen jeweils zwei übereinander dargestellte Datenplots. Die Daten sind über eine für alle Diagramme gemeinsame Zeitskala aufgetragen, wobei der dargestellte Zeitraum sich hier über knapp 10 Sekunden erstreckt.
• Die Ordinaten der beiden Diagramme a) und b) der 5 sind durch Strombeziehungsweise Spannungswerte bezeichnet, deren angegebene Absolutwerte selbstverständlich nur rein beispielhaft sind. Die Ordinate des Diagramms der 6 zeigen jeweils eine den Spulenstrom i_L repräsentierende Größe sowie entsprechende Werte der internen Rampensignale i_{Rp_Buck} , i_{Rp_Boost} der Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ .
• In dem Diagramm b) der 5 sind die Eingangsspannung u_e und die Ausgangsspannung u_a des Buck-Boost-Schaltwandlers aufgetragen. Der Verlauf der Eingangsspannung u_e schwankt periodisch relativ stark um den Wert der Ausgangsspannung u_a . Dieses ist hier in der Simulation absichtlich vorgegeben, um den Buck-Boost-Schaltwandler abwechselnd bei u_e > u_a in den Buck-Betrieb und bei u_e < u_a in den Boost-Betrieb zu zwingen. Erkennbar ist, dass trotz der vergleichsweise großen Änderungen der Eingangsspannung u_e die Ausgangsspannung u_a , wie erwünscht, relativ glatt und konstant bleibt.
• Besonders die im allgemeine kritische Phase des Übergangs zwischen dem Buck- und Boost-Betrieb beziehungsweise umgekehrt, die auch als Buck-Boost-Betrieb bezeichnet wird, im Diagramm b) der 5 erkennbar in den Schnittpunkten zwischen den Spannungsverläufen der Eingangsspannung u_e und der Ausgangsspannung u_a führt hier zu keinem nennenswerten Überschwingverhalten im Verlauf der Ausgangsspannung u_a .
• Das Diagramm a) der 5 zeigt die zeitgleich auftretenden Verläufe der beiden Stellgrößen i_{Ref_Buck} , i_{Ref_Boost} . Diese verlaufen nahezu parallel zueinander, so dass deren Differenz Δi_Ref annähernd konstant ist. Wie die 2 zeigt, wird Δi_Ref durch den Mikrocontroller MC proportional zur Ausgansspannung u_a vorgegeben.
• Die Änderung der Stellgrößen i_{ref_Buck}, i_{Ref_Boost} wird nur durch den PI-Regler PI bestimmt. Der PI-Regler PI wiederum reagiert nur auf Änderungen der Ausgangsspannung u_a und begrenzt diese. Hierzu wird die Abweichung der Ausgangsspannung u_a von der Sollspannung u_{a_set} durch den PI-Regler PI bestimmt. Die Änderungen der Eingangsspannung u_e ist keine explizite Eingangsgröße der Regelung, sondern wirkt nur implizit über die Beeinflussung der Ausgangsspannung u_a und des Spulenstroms i_L der Wandlerbrücke W.
• Die 6 soll das Regelverhalten der Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ , weiter verdeutlichen. Im Gegensatz zu den 3 und 4 sind hier nicht zwei Regelperioden dargestellt, sondern einige tausend bis hunderttausend Regelperioden, da hier ein Zeitraum von knapp 100 Millisekunden abgebildet ist und die Wandlerperiodenzeit T der Regelung typischerweise nur Mikrosekunden oder weniger beträgt. Die Verläufe der Rampenspannungen i_{Rp_Buck} , i_{Rp_Boost} je Wandlerperiodenzeit T erscheinen im dargestellten Maßstab daher im Wesentlichen senkrecht zur Zeitachse und bilden damit insgesamt eine helle und eine schraffiert dargestellte Fläche aus, welche in der 6 aneinander angrenzen.
• In der 6 ist durch den Verlauf der hellen Fläche das Rampensignal i_{Rp_Buck} des ersten Peak-Current-Controllers PCC₁ dargestellt, während der Verlauf der schraffierten Fläche das Rampensignal i_{RP_Boost} des zweiten Peak-Current-Controllers PCC₂ zeigt. Erkennbar ist, dass sich der Stromhub des Rampensignals i_{Rp_Buck} wertemäßig direkt an den Stromhub des Rampensignals i_{Rp_Boost} anschließt.
• Die vertikale Breite in den Darstellungen des als dunkle Fläche dargestellten Spulenstroms i_L zeigt die Variation des Spulenstroms i_L während jeder Wandlerperiodenzeit T.
• Der durch die helle Fläche dargestellte Bereich verdeutlicht die Erzeugung des pulsweitenmodulierten Signals pwm₁ zur Ansteuerung des Buckschalter S₁ . Solange der Spulenstrom i_L unterhalb des hellen Bereichs des Rampensignals i_{Rp_Buck} liegt, bleibt der Buckschalter S₁ dauerhaft eingeschaltet, da hier niemals ein Abschaltsignal getriggert wird. Es liegt somit der Boost-Betrieb vor. Ist der Spulenstrom i_L im hellen Bereich des Rampensignals i_{Rp_Buck} schaltet der Buckschalter S₁ während jeder Wandlerperiodenzeit T und der Schaltwandler befindet sich im Buck-Betrieb.
• Durch die schraffiert dargestellte Fläche wird die Erzeugung des pulsweitenmodulierten Signals pwm₂ zur Ansteuerung des Boostschalters S₂ dargestellt. Ist der Spulenstrom i_L oberhalb des schraffierten Bereichs des Rampensignals i_{Rp_Buck} , so ist der Boostschalter S₂ dauerhaft ausgeschaltet, da das Einschaltsignal unterdrückt wird. Es liegt dann der Buck-Betrieb vor. Befindet sich der Spulenstrom i_L innerhalb des schraffierten Bereichs des Rampensignals i_{Rp_Buck} , so schaltet der Boostschalter S₂ und der Schaltwandler arbeitet im Boost-Betrieb.
• Die Betriebsarten wechseln automatisch je nach Eingangspannungshöhe u_e , ohne dass eine Software den Umschaltzeitpunkt erkennen muss. Der Übergang zwischen dem Boost- und Buck- beziehungsweise Buck- und Boost-Betrieb ist hier durch senkrechte punktierte Linien angedeutet und dauert jeweils nur für die Zeit einzelner Periodendauern der Peak-Current-Controller PCC₁ , PCC₂ an.
• Dieser Aufbau ermöglicht einen des Betrieb im gesamten vorgegeben Spannungsbereich mit einem schnellen („on-the-fly“) Wechsel der Betriebsarten und von hochdynamischen Stromänderungen.
• Bezugszeichenliste

C

Speicherkapazität (Kondensator)

D₁, D₂

Dioden

i_L

Spulenstrom

i_{Rp_Buck}

Rampensignal (Buck)

i_{Rp_Boost}

Rampensignal (Boost)

i_{Ref_Buck}

Rampenstartwert

i_{Ref_Boost}

Rampenstartwert

Δi_Ref

Rampenabstandswert

L

Speicherinduktivität

MC

Mikrocontroller

PCC₁

(erster) Peak-Current-Controller

PCC₂

(zweiter) Peak-Current-Controller

PI

PI-Regler

pwm₁

(erstes) pulsweitenmoduliertes Signal

pwm₂

(zweites) pulsweitenmoduliertes Signal

S₁

(Buck-)Schalter

S₂

(Boost-)Schalter

S_m

Rampensteigungswert

ST

Steuervorrichtung

T

(Wandler)periodenzeit

t_{d_Buck}

Zeitpunkt

u_a

Ausgangsspannung

u_{a_set}

Sollwert (der Ausgangsspannung)

u_e

Eingangsspannung

W

Wandlerbrücke

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102010044063 A1 [0002, 0003, 0008]

Claims (4)

1. Buck-Boost-Schaltwandler, mit einer Wandlerbrücke (W), die zumindest mehrere steuerbare Schalter (S₁, S₂) und eine Speicherinduktivität (L) und eine Speicherkapazität (C) aufweist, und mit einer Steuervorrichtung (ST), die die steuerbaren Schalter (S₁, S₂) zum Betrieb in entweder einer Buck-, Boost- oder Buck-Boost-Betriebsart ansteuert, wobei die steuerbaren Schalter (S₁, S₂) von der Steuervorrichtung (ST) durch jeweils ein pulsweitenmoduliertes Signal (pwm₁, pwm₂) angesteuert werden, wobei die pulsweitenmodulierten Signale (pwm₁, pwm₂) jeweils durch Vergleich eines sägezahnförmigen Rampensignals (i_{Rp_Buck}, i_{Rp_Boost}) mit einer Vergleichsgröße (i_L) erzeugt werden, wobei beide Rampensignale (i_{Rp_Buck}, i_{Rp_Boost}) die gleiche Rampensteigung (s_m) aufweisen, und sich der Startwert (i_{Ref_Boost}) des einen Rampensignals (i_{Rp_Boost}) an den Endwert des anderen Rampensignals (i_{Rp_Buck}) anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerbrücke (W) genau zwei steuerbare Schalter (S₁, S₂) aufweist, dass die pulsweitenmodulierten Signale (pwm₁, pwm₂) zur Ansteuerung der beiden steuerbaren Schalter (S₁, S₂) durch jeweils einen Peak-Current-Controller (PCC₁, PCC₂) erzeugt werden, dass die Peak-Current-Controller (PCC₁, PCC₂) intern jeweils ein zeitlich fallendes Rampensignal (i_{Rp_Buck}, i_{Rp_Boost}) erzeugen und ein dem Strom (i_L) durch die Speicherinduktivität (L) proportionales Signal als Vergleichsgröße (i_L) zu den Rampensignalen (i_{Rp_Buck}, i_{Rp_Boost}) verwenden, dass ein Mikrocontroller (MC) den Peak-Current-Controller (PCC₁, PCC₂), jeweils einen Rampenstartwert (i_{Ref_Buck}, i_{Ref_Boost}) als Stellgröße sowie einen gemeinsamen Rampensteigungswert (s_m) vorgibt, wobei der Mikrocontroller (MC) die Rampensteigung (s_m) und den Abstand (Δi_Ref) der Rampensignale (i_{Rp_Buck}, i_{Rp_Boost}) als ausschließliche Funktion der Ausgangsspannung (ua) der Wandlerbrücke (W) ermittelt.
2. Buck-Boost-Schaltwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Peak-Current-Controller (PCC₁, PCC₂) durch interne Komponenten des Mikrocontroller (MC) ausgebildet sind.
3. Buck-Boost-Schaltwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Peak-Current-Controller (PCC₁, PCC₂) als gegenüber dem Mikrocontroller (MC) externe analoge Schaltkreise ausgeführt sind.
4. Buck-Boost-Schaltwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Rampenstartwerts (i_{Ref_Buck}) des ersten Peak-Current-Controllers (PCC₁) ein dem ersten Peak-Current-Controller (PCC₁) vorgelagerter PI-Regler (PI) vorgesehen ist.

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