DE102021208417A1 - METHOD OF RUNNING A SWITCHED SWITCHING ISOLATION POWER CONVERTER WITH AN OUTPUT POWER RANGE TO RUN A CONNECTABLE LOAD - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines getakteten isolierenden Leistungswandlers mit einem Ausgangsleistungsbereich zum Betreiben einer anschließbaren Last, wobei sich der Ausgangsleistungsbereich aus einem zulässigen Ausgangsspannungsbereich und einem zulässigen Ausgangsstrombereich ergibt, wobei der Leistungswandler einen Schalter, eine Induktivität und eine Ein-Austastvorrichtung aufweist.Das Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:- in einem ersten Betriebsmodus, der von dem maximalen Ausgangsstrom des Leistungswandlers von 100% bis zu einem reduzierten Ausgangsstrom reicht, Einstellen der Ein-Austastvorrichtung auf ein Tastverhältnis von 100%, und Verstellen der Wandlertaktfrequenz, um den Ausgangsstrom des Leistungswandlers für die Last zu reduzieren,- in einem zweiten Betriebsmodus, der von dem reduzierten Ausgangsstrom bis zu dem minimalen Ausgangsstrom reicht, beibehalten der Wandlertaktfrequenz und Einstellen des Tastverhältnisses um den Arbeitspunkt zu verändern, und damit den Ausgangsstrom des getakteten Wandlers für die Last weiter zu verringern, wobei eine Ein-Austastvorrichtungsfrequenz ab einem Tastverhältnis, das im Bereich von 40% bis 20% liegt, mit abnehmendem Tastverhältnis reduziert wird, um eine Modulationstiefe der Strommodulation des Ausgangsstroms in einem gewünschten Bereich zu halten, wobei die Ein-Austastvorrichtungsfrequenz bei dem Tastverhältnis, das im Bereich von 40% bis 20% liegt, um den Faktor 2 bis 40, vorzugsweise um den Faktor 3 bis 15 höher liegt als die Ein-Austastvorrichtungsfrequenz bei minimalem Tastverhältnis.The invention relates to a method for operating a clocked isolating power converter with an output power range for operating a load that can be connected, the output power range resulting from a permissible output voltage range and a permissible output current range, the power converter having a switch, an inductance and an on/off device Method is characterized by the following steps:- in a first mode of operation, ranging from the maximum output current of the power converter of 100% to a reduced output current, setting the on/off device to a duty cycle of 100%, and adjusting the converter clock frequency to the output current of the power converter for the load,- in a second mode of operation ranging from the reduced output current to the minimum output current, maintaining the converter clock frequency and adjusting the duty cycle around the working point to change, and thus to further reduce the output current of the clocked converter for the load, wherein an on-blanking device frequency from a duty cycle that is in the range of 40% to 20% is reduced with decreasing duty cycle, to a modulation depth of the current modulation of the output current in a desired range, with the on/off gate frequency being higher than the on/off gate frequency by a factor of 2 to 40, preferably by a factor of 3 to 15 at the duty cycle which is in the range of 40% to 20% minimum duty cycle.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines getakteten isolierenden Leistungswandlers mit einem Ausgangsleistungsbereich zum Betreiben einer anschließbaren Last.The invention relates to a method for operating a switched-mode isolating power converter with an output power range for operating a connectable load.
Hintergrundbackground
Elektronische Schaltungen, z.B. Leistungswandler zur Versorgung einer Last mit elektrischer Energie oder Leistung, also zu deren Wandlung zwischen einer Quelle und einer Last, sind heutzutage meist getaktet betrieben, um verlustarm arbeiten zu können, und müssen fast immer geregelt sein. Zu diesem Zweck muss solch ein getakteter elektronischer Leistungswandler verschiedene Spannungsübersetzungen zwischen seinem Ein- und Ausgang ermöglichen können, und dies auch bei unterschiedlichen Ausgangsströmen. Anders ausgedrückt muss dieser Leistungswandler verschiedene Ausgangsströme einstellen und somit kontrollieren können, wobei sich -je nach momentaner Belastung - verschiedene Spannungsübersetzungen zwischen seinem Ein- und Ausgang ergeben können. Jeder hier betrachtete getaktete elektronische Leistungswandler muss folglich in einem flächenförmigen und einstückig zusammenhängenden Arbeitsbereich in einem IV-Diagramm, das vom Ausgangsstrom IA als x-Achse und von der Spannungsübersetzung als y-Achse aufgespannt wird, ordnungsgemäß arbeiten, also verlustarm elektrische Energie oder Leistung wandeln können. Ist der zeitliche Mittelwert der Eingangsspannung im Wesentlichen konstant und als solcher bekannt, wovon im Weiteren stets ausgegangen wird, kann an der y-Achse obigen IV-Diagramms statt der Spannungsübersetzung auch direkt die Ausgangsspannung VA aufgetragen sein.Electronic circuits, for example power converters for supplying a load with electrical energy or power, ie for converting it between a source and a load, are nowadays mostly operated in a clocked manner in order to be able to work with low losses, and almost always have to be controlled. For this purpose, such a clocked electronic power converter must be able to enable different voltage transformations between its input and output, even with different output currents. In other words, this power converter must be able to set and thus control different output currents, which can result in different voltage conversions between its input and output, depending on the current load. Each clocked electronic power converter considered here must therefore work properly in a planar and integrally coherent work area in an IV diagram that is spanned by the output current I A as the x-axis and the voltage conversion as the y-axis, i.e. low-loss electrical energy or power can walk. If the average value of the input voltage over time is essentially constant and known as such, which is always assumed below, the output voltage V A can also be plotted directly on the y-axis of the above IV diagram instead of the voltage ratio.
Der getaktete elektronische Leistungswandler muss ferner im Stande sein, mittels einer speziellen Steuergröße und abhängig von seiner momentanen Belastung einen bestimmten Arbeitspunkt innerhalb seines flächenförmigen Arbeitsbereichs immer und wiederholt anzufahren, was letztlich durch schnelle und exakte Einstellung der momentan zu übertragenden Leistung geschieht. Nur dann taugt der betrachtete getaktete elektronische Leistungswandler als Stellglied innerhalb des Regelkreises für eine elektronische Energiewandlung oder Energieversorgung. Dieser Regelkreis kommt in allen Betriebsgeräten, Laborstromversorgungen, Schaltnetzteilen, Gleichspannungs- oder Gleichstromwandlern, aktiven Spannungs- oder Stromquellen oder ähnlichem vor und übernimmt eine zweite Koordinate innerhalb des Arbeitsbereichs, die auch Regelkoordinate genannt sei. Eine erste Koordinate entspricht der Lastkennlinie. Der Schnittpunkt zwischen diesen beiden Koordinaten, also zwischen Lastkennlinie und Regelkoordinate, ergibt obigen Arbeitspunkt. Ist dieser Regelkreis bspw. auf den Ausgangsstrom des getakteten elektronischen Leistungswandlers ausgerichtet, steht seine zugehörige Regelkoordinate in besagtem IV-Diagramm senkrecht auf der IA-Achse an der Stelle, die dem gerade vorgegebenen Sollwert für den Ausgangsstrom IA entspricht. Bei einer Regelung auf die Ausgangsspannung liegt die zugehörige Regelkoordinate waagerecht im IV-Diagramm auf der Höhe, die dem gerade vorgegebenen Sollwert der Ausgangsspannung VA entspricht.The clocked electronic power converter must also be able, using a special control variable and depending on its current load, to approach a specific working point within its planar working area repeatedly and repeatedly, which ultimately happens through quick and precise adjustment of the power to be transmitted at the moment. Only then is the clocked electronic power converter under consideration suitable as an actuator within the control loop for electronic energy conversion or energy supply. This control circuit occurs in all control gear, laboratory power supplies, switched-mode power supplies, DC or DC converters, active voltage or current sources or similar and takes on a second coordinate within the working area, which is also called the control coordinate. A first coordinate corresponds to the load characteristic. The point of intersection between these two coordinates, i.e. between the load characteristic and the control coordinate, results in the above working point. If this control circuit is, for example, geared to the output current of the clocked electronic power converter, its associated control coordinates in said IV diagram are perpendicular to the I A axis at the point that corresponds to the currently specified target value for the output current I A . In the case of control to the output voltage, the associated control coordinates lie horizontally in the IV diagram at the level that corresponds to the setpoint value of the output voltage V A that has just been specified.
Entladungslampen oder Leuchtdioden als Last haben in sich vorgegebene Brenn- oder Flußspannungen, wodurch deren Lastkennlinien zu quasi waagerechten Geraden innerhalb des Arbeitsbereichs im IV-Diagramm werden. Solche Lasten werden bevorzugt stromgeregelt mit Energie versorgt, damit sich ein gut definierter Arbeitspunkt ergibt. Ohm`sche Lasten hingegen haben als Kennlinien schräge Geraden, die allesamt den Nullpunkt des IV-Diagramms schneiden. Diese Kennlinien sind umso flacher, je niederohmiger die Last ist. Solche Lasten sind bevorzugt auch stromgeregelt mit Energie zu versorgen, um einen gut definierten Arbeitspunkt am Schnittpunkt zwischen der flachen Kennlinie und der senkrechten Regelkoordinate zu erhalten. Hochohmige Lasten mit ihren steilen Kennlinien sind hingegen am besten spannungsgeregelt zu versorgen, weil die Regelkoordinaten dann waagerecht im Arbeitsbereich liegen. Eine dritte Möglichkeit bietet die Regelung einer elektronischen Schaltung zur Energieversorgung auf ihre momentane Leistung. Die sich dann ergebenden Regelkoordinaten sind lauter jeweils zur Winkelhalbierenden des IV-Diagramms symmetrische Hyperbeln, die die Kennlinien aller obigen Lasten ebenso schneiden zur Bildung gut definierter Arbeitspunkte insbesondere bei höheren Leistungen. Leistungshyperbeln als Regelkoordinaten eignen sich daher besonders gut für eine Regelung auf maximal zulässige Leistung bei Überlastung des getakteten elektronischen Leistungswandlers.Discharge lamps or light-emitting diodes as a load have inherent burning or flow voltages, as a result of which their load characteristics become quasi-horizontal straight lines within the working range in the IV diagram. Such loads are preferably supplied with energy in a current-controlled manner so that a well-defined operating point results. Ohmic loads, on the other hand, have oblique straight lines as characteristic curves, all of which intersect the zero point of the IV diagram. These characteristic curves are flatter the lower the resistance of the load. Such loads should preferably also be supplied with energy in a current-controlled manner in order to obtain a well-defined operating point at the intersection between the flat characteristic curve and the vertical control coordinate. High-impedance loads with their steep characteristic curves, on the other hand, are best supplied with voltage control because the control coordinates are then horizontal in the working range. A third option is to regulate an electronic circuit for supplying energy to its instantaneous performance. The resulting control coordinates are all hyperbolas symmetrical to the bisecting line of the IV diagram, which also intersect the characteristic curves of all the above loads to form well-defined operating points, especially at higher power levels. Power hyperbolas as control coordinates are therefore particularly well suited for control to the maximum permissible power when the clocked electronic power converter is overloaded.
Insbesondere für Betriebsgeräte, die zum Versorgen von Leuchtdioden als Last vorgesehen sind, kann ein flächenförmiger und einstückig zusammenhängender Arbeitsbereich bspw. durch die sechs Größen
- • maximaler Ausgangsstrom
- • maximale Ausgangsleistung
- • maximale Ausgangsspannung
- • minimaler Ausgangsstrom
- • minimale Ausgangsleistung
- • minimale Ausgangsspannung
- • maximum output current
- • maximum output power
- • maximum output voltage
- • minimum output current
- • minimum output power
- • minimum output voltage
Die meisten elektronischen Schaltungen zur Wandlung elektrischer Energie oder Leistung, die einer Quelle entnommen wird und nach Wandlung zur Versorgung einer Last dient, insbesondere alle Betriebsgeräte, Laborstromversorgungen, Schaltnetzteile, Gleichspannungs- oder Gleichstromwandler, aktive Spannungs- oder Stromquellen oder ähnliches nutzen als Quelle das öffentliche Stromversorgungsnetz, das üblicherweise eine bekannte effektive Spannung zwischen 90 V und 277 V anbietet bei einem idealerweise sinusförmigen Spannungsverlauf und bei einer Frequenz zwischen 50 Hz und 60 Hz. Um damit kompatibel zu sein, dürfen die Verzerrungen, die der Eingangsstrom bspw. eines Betriebsgeräts im Vergleich zu seiner Eingangsspannung aufweist, gewisse enge Grenzen nicht überschreiten. Bei allen Eingangsleistungen > 5 W ist dazu ein Leistungsfaktorkorrektor nötig, der oft mit PFC (= Power Factor Corrector) abgekürzt ist und in Leistungsflussrichtung gesehen direkt auf den Eingang der gesamten elektronischen Schaltung folgt. Dessen Ausgang, über einen großen Zwischenkreiskondensator gepuffert, ist die sogenannte Zwischenkreisspannung E, auf deren zeitlichen Mittelwert der PFC geregelt ist. Die Zwischenkreisspannung E ist also bekannt und in etwa konstant und versorgt den eigentlichen getakteten elektronischen Leistungswandler mit Energie, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er oft eine galvanische Isolation zwischen seinem Ein- und seinem Ausgang aufweist, und dass er immer einen wie oben schon beschriebenen flächenförmigen und einstückig zusammenhängenden Arbeitsbereich anbietet. Sein drittes Charakteristikum ist die spezielle Steuergröße, womit verschiedene Arbeitspunkte innerhalb seines Arbeitsbereichs kontrolliert angefahren werden können.Most electronic circuits for converting electrical energy or power that is taken from a source and used to supply a load after conversion, in particular all operating devices, laboratory power supplies, switched-mode power supplies, DC or DC converters, active voltage or current sources or similar use the public source as a source Power supply network that usually offers a known effective voltage between 90 V and 277 V with an ideally sinusoidal voltage curve and at a frequency between 50 Hz and 60 Hz to its input voltage does not exceed certain narrow limits. For all input powers > 5 W, a power factor corrector is required, which is often abbreviated to PFC (= Power Factor Corrector) and, viewed in the direction of power flow, directly follows the input of the entire electronic circuit. Its output, buffered via a large intermediate circuit capacitor, is the so-called intermediate circuit voltage E, on whose time average the PFC is regulated. The intermediate circuit voltage E is therefore known and approximately constant and supplies the actual clocked electronic power converter with energy, which is characterized in that it often has galvanic isolation between its input and its output, and that it always has a planar form as described above and offers an integral, cohesive workspace. Its third characteristic is the special control variable, with which various working points within its working range can be approached in a controlled manner.
Alle getakteten elektronischen Leistungswandler umfassen jeweils mindestens einen Speicherkondensator und mindestens eine Speicherinduktivität oder Speicherspule oder Speicherdrossel sowie mindestens eine Gleichrichterdiode und mindestens einen aktiv steuerbaren Leistungstransistor. Damit sind die drei einfachsten Leistungswandlertopologien Tiefsetzsteller (Buck), Hochsetzsteller (Boost) und Drosselinverswandler (Buck-Boost bzw. Flyback) bereits umrissen. Letzterer benötigt zwingend zwei Speicherkondensatoren, einen zweiten parallel zu seinem Ausgang, und kann eine Ausgangsspannung kleiner oder gleich oder größer als seine Eingangsspannung erzeugen. Bei ersterem ist ein Ausgangs-Speicherkondensator nicht obligat, aber meist vorhanden, wie es den weiteren Ausführungen zugrunde gelegt ist, und er kann nur eine Ausgangsspannung erzeugen, die kleiner als seine Eingangsspannung ist. Der Hochsetzsteller wiederum benötigt zwingend einen Speicherkondensator nur an seinem Ausgang, über dem grundsätzlich eine Ausgangsspannung anliegt, die größer als die Eingangsspannung des Hochsetzstellers ist. Werden stattdessen zwei Speicherinduktivitäten spendiert, die auch gekoppelt sein können, und wandert einer der Speicherkondensatoren als Binnenkondensator zwischen Leistungstransistor und Gleichrichterdiode, lässt sich daraus ein Cuk-Wandler konstruieren. Zeta-Wandler und SEPIC (single-ended primary inductor converter) sind aus dem Cuk-Wandler hervorgegangen und benötigen einen weiteren Speicherkondensator wieder zwingend, der Zeta-Wandler an seinem Eingang und der SEPIC an seinem Ausgang. Alle drei letztgenannten Leistungswandlertopologien können eine Ausgangsspannung erzeugen, die sowohl größer als auch gleich als auch kleiner als die jeweilige Eingangsspannung sein kann, und benötigen dazu jeweils dieselbe spezielle Steuergröße wie der Drosselinverswandler, deren Wert in allen vier Topologien sogar jeweils das gleiche Spannungsübersetzungsverhältnis erzeugt. Cuk- und Drosselinverswandler erzeugen ihre Ausgangsspannungen in negativer Polarität in Bezug zu ihren Eingangsspannungen. In den meisten Fällen ist eine PWM oder eine anderweitige digitale Taktung zwischen „Ein“ und „Aus“ des mindestens einen aktiven Leistungstransistors die hierfür vorgesehene spezielle Steuergröße mit ihrem Tastverhältnis oder Duty-Cycle D als darzustellendem Wert.All clocked electronic power converters each include at least one storage capacitor and at least one storage inductance or storage coil or storage inductor and at least one rectifier diode and at least one actively controllable power transistor. This already outlines the three simplest power converter topologies: step-down converter (buck), step-up converter (boost) and inductive inverse converter (buck-boost or flyback). The latter necessarily requires two storage capacitors, a second one in parallel with its output, and can produce an output voltage less than or equal to or greater than its input voltage. In the case of the former, an output storage capacitor is not obligatory, but is usually present, as is the basis for the further explanations, and it can only generate an output voltage that is smaller than its input voltage. The step-up converter, in turn, requires a storage capacitor only at its output, across which an output voltage is generally present that is greater than the input voltage of the step-up converter. If two storage inductances are used instead, which can also be coupled, and one of the storage capacitors moves as an internal capacitor between the power transistor and the rectifier diode, a Cuk converter can be constructed from this. Zeta converters and SEPIC (single-ended primary inductor converters) have emerged from the Cuk converter and again require an additional storage capacitor, the Zeta converter at its input and the SEPIC at its output. All three of the latter power converter topologies can generate an output voltage that can be greater than, equal to, or lower than the respective input voltage, and each requires the same special control variable as the buck-buck converter, the value of which even generates the same voltage transformation ratio in all four topologies. Cuk and buck buck converters produce their output voltages in negative polarity with respect to their input voltages. In most cases, a PWM or some other type of digital clocking between “on” and “off” of the at least one active power transistor is the special control variable provided for this, with its duty cycle D as the value to be displayed.
Bei allen diesen sechs getakteten elektronischen Leistungswandlern kann der mindestens eine Speicherkondensator mit dem Zwischenkreiskondensator identisch sein. Beim Hochsetzsteller, beim Flyback und beim SEPIC kann auch der zweite Speicherkondensator, also der Ausgangskondensator, mit dem Zwischenkreiskondensator identisch sein, wenn diese drei Leistungswandlertopologien wie sehr oft als PFC eingesetzt werden. Beim Drosselinverswandler, beim Zeta-Wandler und beim SEPIC kann die jeweils mit einer durchgehenden Masseleitung verbundene Speicherinduktivität durch einen Transformator ersetzt sein, wodurch aus dem Drosselinverswandler ein Flyback-Wandler entsteht. Daraus folgt, dass Flyback und SEPIC auch als isolierende PFCs ausgebildet sein können. Einen isolierenden Cuk-Wandler zu konstruieren ist ebenso möglich, aber komplizierter. Ein Cuk-Wandler in reiner PFC-Funktion ist unüblich, gleiches gilt für den Zeta-Wandler.In all of these six clocked electronic power converters, the at least one storage capacitor can be identical to the intermediate circuit capacitor. With the step-up converter, with the flyback and with the SEPIC, the second can also be used The storage capacitor, i.e. the output capacitor, must be identical to the intermediate circuit capacitor if these three power converter topologies are used as PFCs, as is very often the case. In the case of the buck-inductor converter, the zeta converter and the SEPIC, the storage inductance connected to a continuous ground line can be replaced by a transformer, as a result of which the buck-inverter converter becomes a flyback converter. It follows from this that flyback and SEPIC can also be designed as insulating PFCs. Constructing an isolating cuk converter is also possible, but more complicated. A Cuk converter with a pure PFC function is unusual, the same applies to the Zeta converter.
Solange alle Zeitpunkte beider Schaltaktivitäten „Einschalten“ und „Ausschalten“ des mindestens einen aktiven Leistungstransistors in allen diesen Wandlern von außen vorgegeben werden, handelt es sich um einen sogenannten hartschaltenden elektronischen Leistungswandler oder kurz hartschaltenden Wandler. Der Nachteil davon sind starke Funkstörungen und Schaltverluste proportional zur Taktfrequenz sowie quadratisch proportional zum Spannungsbereich. Diese Verluste treten besonders im sogenannten „continuous conduction mode“ (CCM) auf, der für kleinere Ausgangsströme automatisch in einen „critical conduction mode“ (CRM) oder „transient conduction mode“ (TCM) übergeht. Dabei berührt der Strom der mindestens einen Speicherinduktivität pro Takt einmal die Nulllinie, zeigt dabei aber annähernd keine Lücke. Da dieser Modus obige Schaltverluste und Funkstörungen deutlich reduziert, wird er für quasi alle hartschaltenden elektronischen Leistungswandler kleiner und mittlerer Leistungen (bis bspw. 500 W) als Normalmodus vorgesehen und liegt auch hier allen weiteren Beschreibungen dieser Sorte von Wandlern zugrunde. Im Unterschied zu obigen hartschaltenden Wandlern werden hier die Einschaltzeitpunkte des Leistungstransistors nicht mehr von außen vorgegeben, sondern ergeben sich aus optimalen Zustandspunkten innerhalb der Schaltung. As long as all times of the two switching activities “switching on” and “switching off” of the at least one active power transistor in all these converters are specified externally, it is a so-called hard-switching electronic power converter or, for short, hard-switching converter. The disadvantage of this is strong radio interference and switching losses proportional to the clock frequency and quadratically proportional to the voltage range. These losses occur in particular in the so-called "continuous conduction mode" (CCM), which automatically switches to a "critical conduction mode" (CRM) or "transient conduction mode" (TCM) for smaller output currents. The current of the at least one storage inductance touches the zero line once per cycle, but shows almost no gap. Since this mode significantly reduces the above switching losses and radio interference, it is intended as the normal mode for virtually all hard-switching electronic power converters of small and medium power (up to e.g. 500 W) and is also the basis for all further descriptions of this type of converter. In contrast to the above hard-switching converters, the switch-on times of the power transistor are no longer specified from the outside, but result from optimal status points within the circuit.
Die Größe der mindestens einen Speicherinduktivität innerhalb dieser sechs grundlegenden Eintakt-Leistungswandler vom Tiefsetzsteller bis zum SEPIC beeinflusst den minimal möglichen Ausgangsstrom, und deren Sättigungsverhalten sowie die Dimensionierung der übrigen am Wandler beteiligten Bauteile begrenzen den maximal möglichen Ausgangsstrom. Letzteres ist im laufenden Betrieb schlecht erkennbar und muss daher durch Regelung auf einen zu diesem Maximum passend abgespeicherten oder anderweitig vorgehaltenen Sollwert eingehalten werden. Die maximale Ausgangsspannung ist entweder auf die Eingangsspannung gedeckelt wie beim Tiefsetzsteller oder durch die Dimensionierung der Bauteile begrenzt, die maximale Ausgangsleistung ist über die maximal zulässigen Verluste limitiert. Auch diese beiden Dinge sind von der Regelung zu erkennen und gemäß abgespeicherter oder anderweitig vorgehaltener Maximal-Sollwerte abzufangen. Der Hochsetzsteller ist insofern ein Sonderfall, da seine minimale Ausgangsspannung auf die momentane Eingangsspannung E begrenzt ist.The size of the at least one storage inductor within these six basic single-ended power converters from the buck converter to the SEPIC influences the minimum possible output current, and their saturation behavior and the dimensioning of the other components involved in the converter limit the maximum possible output current. The latter is difficult to detect during operation and must therefore be maintained by regulating to a setpoint that is stored or otherwise maintained to match this maximum. The maximum output voltage is either capped at the input voltage as with the step-down converter or limited by the dimensioning of the components, the maximum output power is limited by the maximum permissible losses. These two things can also be recognized by the control system and intercepted according to stored or otherwise available maximum setpoint values. The step-up converter is a special case in that its minimum output voltage is limited to the instantaneous input voltage E.
Werden zwei aktiv steuerbare Leistungstransistoren in derselben Leistungswandlertopologie eingesetzt, entstehen als sogenannte Gegentakt-Leistungswandler unter anderem die Synchronvarianten der sechs obigen Wandlertopologien vom Tiefsetzsteller bis zum SEPIC beziehungsweise ihre zugehörigen strom-bidirektionalen Wandler oder auch Halbbrücken, die einen sogenannten Brückenzweig aus zwei seriell verschalteten Leistungstransistoren umfassen, der zum Eingang hin über den ersten Speicherkondensator abgeschlossen ist. Dieser liegt hier zwischen der Arbeitselektrode des oberen und der Bezugselektrode des unteren Leistungstransistors und kann auch mit einem Zwischenkreiskondensator identisch sein. Die beiden nicht mit dem ersten Speicherkondensator verbundenen „großen“ Elektroden beider Leistungstransistoren, also die Bezugselektrode des oberen und die Arbeitselektrode des unteren Leistungstransistors, bilden gemeinsam einen Mittelpunkt des Brückenzweiges. Neben einer Funktionsänderung für die Speicherinduktivität, die weiter unten noch beschrieben wird, und neben mindestens einer zusätzlichen Gleichrichterdiode, die zusammen mit der im Tiefsetzsteller schon vorhandenen einen vollwellentauglichen Gleichrichter bildet, der vom zweiten Speicherkondensator abgeschlossen ist, benötigen die Halbbrücken zusätzlich mindestens einen dritten Speicherkondensator in Serie zur Speicherinduktivität, der den Gleichspannungsanteil der Ausgangsspannung am Mittelpunkt des Brückenzweigs aufnimmt. Bildet dieser dritte Speicherkondensator zusammen mit der Speicherinduktivität, die bei Halbbrücken vorteilhaft zumindest teilweise durch einen Transformator realisiert ist, einen Resonanzkreis mit einer Eigenfrequenz knapp unterhalb einer niedrigsten Taktfrequenz der Ausgangsspannung am Mittelpunkt des Brückenzweigs, entsteht eine resonante Halbbrücke mit ZVS-Schaltentlastung. Letzteres bedeutet, dass jeder Einschaltvorgang eines am getakteten Leistungswandler beteiligten Leistungstransistors, hier also beider Leistungstransistoren des einen Brückenzweigs, spannungslos geschieht, wodurch jegliche Einschaltverluste vermieden und damit auch die Funkstörungen minimiert sind. Der frequenzerniedrigende Effekt des rein-ohmschen Anteils jeder Last, also von allen nichtreaktiven Elementen, die an den Ausgang des Gleichrichters angeschlossen sind, darf mit dazu genutzt werden, mit allem an den Mittelpunkt des Brückenzweigs Angeschlossenen unter die Taktfrequenz zu gelangen. Zum Erzielen dieser sehr vorteilhaften ZVS-Schaltentlastung wird der Resonanzkreis und der daran angeschlossene Gleichrichter von seinem Brückenzweig also fast immer überresonant mit Energie versorgt, er verhält sich somit zumindest leicht induktiv. Zur Reduktion der zu übertragenden Leistung wird die Taktfrequenz eines resonanten elektronischen ZVS-Leistungswandlers grundsätzlich erhöht. Dabei verhält sich der Resonanzkreis zunehmend stärker induktiv, wodurch letztlich die übertragbare Wirkleistung gedrosselt wird. Bei allen resonanten elektronischen Leistungswandlern ist die spezielle Steuergröße also deren Taktfrequenz, und wie schon oben bei CRM oder TCM sind auch hier die jeweiligen Einschaltzeitpunkte der Leistungstransistoren nicht von außen vorgebbar, sondern durch optimale Zustandspunkte aus dem Inneren der Schaltung definiert. Sobald im Weiteren von einem Betriebs- oder Ansteuerverfahren für eine Leistungsübertragung die Rede sein wird, gelten entweder CRM bzw. TCM oder resonantes ZVS als Normalmodus.If two actively controllable power transistors are used in the same power converter topology, the so-called push-pull power converters result, among other things, in the synchronous variants of the six converter topologies above from the step-down converter to the SEPIC or their associated current-bidirectional converters or half-bridges, which include a so-called bridge arm made of two power transistors connected in series , which is terminated towards the input via the first storage capacitor. This lies between the working electrode of the upper and the reference electrode of the lower power transistor and can also be identical to an intermediate circuit capacitor. The two "large" electrodes of both power transistors that are not connected to the first storage capacitor, i.e. the reference electrode of the upper power transistor and the working electrode of the lower power transistor, together form a center point of the bridge arm. In addition to a functional change for the storage inductance, which will be described further below, and in addition to at least one additional rectifier diode, which together with the one already present in the step-down converter forms a full-wave rectifier that is terminated by the second storage capacitor, the half-bridges also require at least a third storage capacitor in Series for storage inductance, which absorbs the DC component of the output voltage at the middle point of the bridge arm. If this third storage capacitor together with the storage inductance, which in the case of half-bridges is advantageously at least partially realized by a transformer, forms a resonant circuit with a natural frequency just below a lowest clock frequency of the output voltage at the midpoint of the bridge branch, a resonant half-bridge with ZVS switching load relief is created. The latter means that each switching-on process of a power transistor involved in the clocked power converter, in this case both power transistors of one bridge branch, occurs without voltage, which avoids any switch-on losses and thus also minimizes radio interference. The frequency-lowering effect of the purely ohmic part of each load, i.e. all non-reactive elements connected to the output of the rectifier, can be used to get everything connected to the midpoint of the bridge arm below the clock frequency. To achieve this very advantageous ZVS shift relief the resonant circuit and the rectifier connected to it are almost always supplied with energy in an over-resonant manner by its bridge branch, so it behaves at least slightly inductively. In order to reduce the power to be transmitted, the clock frequency of a resonant electronic ZVS power converter is generally increased. The resonant circuit behaves more and more inductively, which ultimately reduces the active power that can be transmitted. With all resonant electronic power converters, the special control variable is their clock frequency, and as with CRM or TCM above, the respective switch-on times of the power transistors cannot be specified from the outside, but are defined by optimal state points from the inside of the circuit. As soon as an operating or control method for power transmission is discussed below, either CRM or TCM or resonant ZVS apply as the normal mode.
Die Bezeichnung „Gegentakt-Leistungswandler“ impliziert das Vorhandensein von mindestens zwei Leistungstransistoren im selben getakteten Leistungswandler, oder allgemein von einer geraden Anzahl derselben. Je zwei davon werden prinzipiell komplementär angesteuert, wodurch der Leistungswandler unabhängig von der momentanen Schaltstellung immer niederohmig bleibt. Beim Umschalten werden jedoch meist sogenannte Ansteuerpausen oder Taktlücken oder Tastlücken zwischen den Ansteuersignalen der zwei an einem Gegentakt beteiligten Leistungstransistoren eingeräumt, um das Kommutieren auf die neue Schaltstellung möglichst verlust- und störungsarm zu ermöglichen. Dies ist insbesondere bei resonantem ZVS wichtig, da dort diese Pausen oder Lücken stark variable Zeitdauern aufweisen können. Bei CRM oder TCM hingegen können diese Pausen oder Lücken als näherungsweise konstant angenommen und entsprechend eingestellt werden, da sie nur von bekannten Reaktanzen aus dem Inneren der Schaltung abhängen.The term "push-pull power converter" implies the presence of at least two power transistors in the same switched-mode power converter, or generally an even number of them. In principle, two of them are controlled in a complementary manner, which means that the power converter always remains low-impedance, regardless of the current switching position. When switching, however, so-called control pauses or clock gaps or key gaps are usually allowed between the control signals of the two power transistors involved in a push-pull in order to enable commutation to the new switching position with as little loss and interference as possible. This is particularly important in the case of resonant ZVS, since there these pauses or gaps can have highly variable durations. With CRM or TCM, on the other hand, these pauses or gaps can be assumed to be approximately constant and adjusted accordingly, since they only depend on known reactances from inside the circuit.
Die Speicherinduktivität aus den sechs Eintakt-Leistungswandlern vom Tiefsetzsteller bis zum SEPIC, in der gleichstrombehaftete Ströme oder bei CCM sogar unterbrechungsfreie oder nichtlückende Gleichströme, die nur noch eine Welligkeit in Taktfrequenz aufweisen, gespeichert sein können, ist bei der Halbbrücke in eine Resonanzinduktivität oder in einen induktiven Anteil des Resonanzkreises übergegangen mit folglich deutlich reduzierten Henry-Werten. Denn zumindest im Transformatorabschnitt dieser Resonanzinduktivität fließt nun reiner Wechselstrom in der Frequenz der Ausgangsspannung am Mittelpunkt des Brückenzweigs. I. d. R. reicht die Streuinduktivität des Transformators zur Bildung der Resonanzinduktivität nicht aus, weshalb meist eine diskrete Resonanzspule dazu in Serie geschaltet werden muss. Denn auch der mindestens eine dritte Speicherkondensator wird durch entsprechende Verkleinerung zum Resonanzkondensator, um über die Impedanz „Wurzel (L/C)“ des mit ihm entstandenen Resonanzkreises den Ausgangsstrombereich der resonanten Halbbrücke einzustellen. Alternativ oder zusätzlich zur diskreten Resonanzspule kann mindestens eine Spule in Serie zum Ausgang des Gleichrichters vor den Ausgang der gesamten resonanten Halbbrücke, also vor den zweiten Speicherkondensator geschaltet sein, die dann filtert und somit speichert sowie gleichzeitig, wenn ihr Wert klein genug ist, am Resonanzvorgang teilnimmt.The storage inductance from the six single-ended power converters from the step-down converter to the SEPIC, in which currents with DC currents or, in the case of CCM, even uninterrupted or continuous DC currents that only have a ripple in clock frequency, can be stored, is in the half-bridge in a resonant inductance or in a inductive portion of the resonant circuit with consequent significantly reduced Henry values. At least in the transformer section of this resonant inductance, pure alternating current now flows at the frequency of the output voltage at the midpoint of the bridge branch. i.d. The leakage inductance of the transformer is usually not sufficient to form the resonance inductance, which is why a discrete resonance coil usually has to be connected in series. This is because the at least one third storage capacitor also becomes a resonant capacitor by being correspondingly reduced in size, in order to set the output current range of the resonant half-bridge via the “root (L/C)” impedance of the resonant circuit created with it. As an alternative or in addition to the discrete resonance coil, at least one coil can be connected in series with the output of the rectifier before the output of the entire resonant half-bridge, i.e. before the second storage capacitor, which then filters and thus stores and at the same time, if its value is small enough, at the resonance process participates.
Neben besagtem Ausgangsstrombereich und der Tatsache, dass jede Halbbrücke in etwa die Hälfte ihrer Eingangsspannung E an ihren Ausgang übertragen kann (1:1-Windungsverhältnis im Transformator und Grätz-Gleichrichter angenommen), wird der mögliche Arbeitsbereich einer resonanten Halbbrücke von ihren natürlichen ZVS-Grenzen definiert, die gemäß
Generell problematisch in Bezug auf seine Erreichbarkeit und Regelbarkeit bleibt jedoch der Bereich kleiner Ausgangsströme, kleiner Ausgangsspannungen bzw. kleiner Ausgangsleistungen, nicht nur bei einer resonanten Halbbrücke, sondern auch bei allen sechs Eintakt-Leistungswandlern. Bei der resonanten Halbbrücke bestimmt die genaue Form und Auslegung des Resonanzkreises, wie weit der mögliche Arbeitsbereich unten links am Ursprung, also die natürliche ZVS-Grenze am Nullpunkt des IV-Diagramms vorbeiläuft.However, the range of small output currents, small output voltages or small output powers remains generally problematic with regard to its accessibility and controllability, not only with a resonant half-bridge, but also with all six single-ended power converters. In the case of the resonant half-bridge, the exact shape and design of the resonant circuit determines how far the possible working range runs past the origin at the bottom left, i.e. the natural ZVS limit at the zero point of the IV diagram.
Zur Auswahl der Leistungswandlertopologie als Stellglied für bspw. ein Betriebsgerät sowie zu deren Auslegung und Dimensionierung einschließlich ihrer speziellen Steuergröße wird der geforderte Arbeitsbereich im IV-Diagramm herangezogen. Je größer dieser Arbeitsbereich sein soll und vor allem je näher er an die Achsen des IV-Diagramms heranreichen soll, wodurch sich die Spreizung der Ausgangsgrößen erhöht, desto kostspieliger wird dieses Stellglied, denn sein natürlicher Arbeitsbereich weicht fast grundsätzlich von dem geforderten ab. Nach üblicher Auslegung und Dimensionierung als eine erste Möglichkeit wird dieser natürliche Arbeitsbereich so groß gemacht, dass er den geforderten umschließt, was logischerweise kostentreibend ist. Dann schaufelt der getaktete elektronische Leistungswandler unnötig viel Blindleistung hin und her oder benötigt eine unnötig komplizierte Topologie. Beides treibt Kosten und Verluste nach oben, kann aber auch zu einer Vergrößerung des natürlichen Arbeitsbereichs führen sowie dazu, dass der Leistungswandler Flächen bedienen kann, die in seinem Arbeitsbereich gar nicht gefordert sind. Ein strom-bidirektionaler Wandler ist bspw. hilfreich für einen Ausgangsstrom gleich null, auch wenn der negative Teil seines Arbeitsbereichs gar nicht gebraucht wird.The required operating range in the IV diagram is used to select the power converter topology as an actuator for, for example, an operating device and to design and dimension it, including its special control variable. The larger this working range should be and, above all, the closer it should be to the axes of the IV diagram, which increases the spread of the output variables, the more expensive this actuator will be, because its natural working range deviates almost fundamentally from the required one. According to usual design and dimensioning as a first possibility, this natural working area is made so large that it encloses the required one, which is logically costly. Then the clocked electronic power converter shovels an unnecessarily large amount of reactive power back and forth or requires an unnecessarily complicated topology. Both drive up costs and losses, but can also lead to an increase in the natural working area and to the fact that the power converter can serve areas that are not required in its working area. For example, a current-to-bidirectional converter is useful for zero output current, even if the negative part of its working range is not used at all.
Eine ausgewählte und schon optimierte Leistungswandlertopologie kann einen Abschnitt des geforderten Arbeitsbereichs in ihrem Normalmodus auch prinzipiell nicht zulassen, weshalb als zweite Möglichkeit ihr Normalmodus, beispielsweise ZVS, zeitweise verlassen werden muss, was dann jeweils zu erhöhten Funkstörungen, erhöhten Verlusten und reduzierten Wirkungsgraden führt. Ein weiterer v. a. bei den sechs Eintakt-Leistungswandlern für kleinere Leistungen fast immer angewandter Normalmodus ist der oben schon erwähnte „Critical Conduction Mode“ (CRM) oder „Transient Conduction Mode“ (TCM), bei dem der Strom in der mindestens einen Speicherinduktivität pro Taktperiode genau einmal oder maximal zweimal zu null werden soll. Dieser eine oder erste Punkt wird jedes Mal detektiert, danach wird jedes Mal gewartet, bis die Spannung über dem noch ausgeschalteten Leistungstransistor minimal geworden ist, und erst dann wird dieser erneut eingeschaltet. Der Strom in der Speicherinduktivität wird also periodisch zu null, hat aber so gut wie keine Lücken bei diesem häufig angewandten weiteren Normalmodus. In Verbindung mit der höchstmöglichen Taktfrequenz in Form einer niedrigst-möglichen On-Zeit des Leistungstransistors ergeben sich daraus über den Wert der mindestens einen Speicherinduktivität die niedrigst-möglichen Ausgangsströme für den Normalmodus, die obendrein von den momentanen Ein- und Ausgangsspannungen abhängen. Wird obiges Spannungsminimum verstreichen gelassen und der Leistungstransistor jedes Mal erst später eingeschaltet, wird zwar ein noch kleinerer Ausgangsstrom ermöglicht, aber auch der verlust- und funkstörminimierende CRM oder TCM verlassen. Eine Möglichkeit, beides zumindest im Ansatz gleichzeitig einzuhalten, also periodisch verspätet einschalten und trotzdem Spannungsminima zu treffen, wird in
Das Letztgenannte ist jedoch nur aufwendig realisierbar. Eine einfachere und dritte Möglichkeit zur Arbeitsbereichsvergrößerung nach unten führt zu einem Betrieb im sogenannten Burstmodus. Dabei wird während der sogenannten „Bursts“ ein Leistungswandler in seinem Normalmodus betrieben, und zwischen zwei Bursts komplett abgeschaltet, also während dieser Pause sein aktiver Leistungstransistor beispielsweise einfach nicht angesteuert. Dies geschieht periodisch, wodurch sich neben der Taktfrequenz als spezieller Steuergröße für den Leistungswandler als solchen eine zweite Steuergröße ergibt in Form einer Burst-Dauer und einer Pausendauer zwischen jeweils zwei Bursts. Die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anfängen von Bursts sei „Burst-Periode“ genannt, deren Kehrwert entsprechend „Burst-Frequenz“. Der Gedanke dahinter ist eine Ausdünnung der Zusatzverluste aufgrund der Verletzung des CRM- oder TCM-Prinzips, weil diese Zusatzverluste nicht in jeder Taktperiode des Leistungswandlers auftreten, sondern nur zu Beginn jedes Bursts. Dabei muss besagte Burst-Periode natürlich deutlich länger als die Taktperiode des eigentlichen Leistungswandlers sein. Ist das nicht der Fall, kann sich eine Art „Einzelpuls-Burstbetrieb“ ergeben, dessen optimale Variante in
Viertens kann die Dimensionierung einer Leistungswandlertopologie, insbesondere wenn es sich um eine resonante handelt, entweder periodisch wiederkehrend oder blockweise umgeschaltet werden je nachdem, welcher Teil eines Arbeitsbereichs aktuell gebraucht wird. Bei blockweiser Umschaltung wird zusätzliche Blindleistung zugeschaltet, wenn ein vergrößerter oder veränderter Arbeitsbereich erforderlich ist, und wieder weggeschaltet, wenn dieser nicht mehr nötig ist. Bei periodischer Umschaltung kann sich eine Kombination mit obiger dritter Möglichkeit ergeben, wenn die periodisch zugeschaltbare Blindleistung so beschaffen und so hoch ist, dass sich durch ihre Zuschaltung der Leistungswandler auftrennt in einen Blindleistungsschwinger und einen Gleichrichter, der samt einer Last faktisch abgekoppelt ist. Während der Bursts oder während eines kontinuierlichen Betriebs im Normalmodus ist die zuschaltbare Blindleistung weggeschaltet, um den Gleichrichter und die Last eben nicht abzukoppeln, sondern normal mit Energie zu versorgen.Fourth, the dimensioning of a power converter topology, especially if it is a resonant one, can be switched either periodically or in blocks, depending on which part of a working range is currently needed. With block switching, additional reactive power is switched on when an increased or changed working range is required, and switched off again when this is no longer necessary. In the case of periodic switching, a combination with the third option above can result if the reactive power that can be switched on periodically is of such a nature and high that when it is switched on, the power converter separates into a reactive power oscillator and a rectifier, which is actually decoupled together with a load. During the bursts or during continuous operation in normal mode, the reactive power that can be switched on is switched off in order not to decouple the rectifier and the load, but to supply them with energy normally.
Eine fünfte Möglichkeit insbesondere für nicht-resonante Leistungswandlertopologien besteht in der zeitweisen strukturellen Umschaltung der Leistungswandlertopologie. Beispielsweise kann durch Überbrückung des Binnenkondensators und der eigentlichen Gleichrichterdiode durch eine zusätzliche schaltbare Gleichrichterdiode aus einem SEPIC ein Hochsetzsteller gemacht werden, wie es bspw. in
Eine Kombination aus obiger dritter und der fünften Möglichkeit ist in
Ziel bei alldem, insbesondere im jeweiligen Burstmodus, kann neben dem gewünschten Mittelwert auch eine bestimmte Welligkeit eines Ausgangssignals sein. Diese Welligkeit soll unabhängig vom Mittelwert des Ausgangssignals und damit vom Tastverhältnis einer dieses Ausgangssignal steuernden Taktung sein.In addition to the desired mean value, the goal in all of this, especially in the respective burst mode, can also be a certain ripple of an output signal. This ripple should be independent of the mean value of the output signal and thus of the pulse duty factor of a clocking that controls this output signal.
AufgabeTask
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines getakteten elektronischen Leistungswandlers für bspw. ein Betriebsgerät für Leuchtdioden anzugeben, das keine unnötigen Schaltungserweiterungen für den Leistungswandler erfordert, sondern obige Möglichkeiten Zwei bis Vier zur Erweiterung seines Arbeitsbereichs zu kleineren Ausgangsströmen hin in optimaler Weise miteinander kombiniert. Dabei umfasst das Betriebsverfahren zumindest zwei Bereiche, einen Bereich mit Betrieb des Leistungswandlers in seinem Normalmodus und mindestens einen zweiten Bereich mit einem speziellen Ansteuerverfahren für einen Burstmodus. Dabei wird einer anderen Herangehensweise als in
Wichtige Nebenbedingung für alle unten noch zu betrachtenden Lösungen für das Ansteuerverfahren ist eine Leistungsübertragung über eine galvanische Isolationsbarriere hinweg.An important secondary condition for all solutions for the control method to be considered below is power transmission across a galvanic isolation barrier.
Die erlaubte Welligkeit nimmt bei kleiner werdenden Ausgangsströmen in einer Art und Weise zu, wie sie insbesondere für die Stromversorgung von Leuchtdioden sinnvoll ist, die bis zu sehr geringen Helligkeiten - fast bis an ihre physikalische Grenze heran - heruntergedimmt werden sollen.The permitted ripple increases with decreasing output currents in a way that makes sense, in particular, for the power supply of light-emitting diodes that are to be dimmed down to very low levels of brightness - almost to their physical limit.
Da diese Welligkeit auch von der Ausgangsspannung, die der Leistungswandler momentan abgeben soll, abhängt, muss das Betriebsverfahren ferner die Möglichkeit bieten, diese Ausgangsspannung im Ifd. Betrieb zu messen. Im Falle von bspw. seriell auf einem Modul zusammengeschalteten Leuchtdioden, die vom Leistungswandler ihres Betriebsgeräts zu versorgen sind, hängt die Ausgangsspannung von der momentanen Temperatur des Moduls ab. Außerdem soll ein für das angegebene Betriebsverfahren vorgesehenes Betriebsgerät alternativ viele verschiede Module mit unterschiedlichen Flußspannungen mit Strom versorgen können, sodass die Ausgangsspannung beim erstmaligen Start des Betriebsgeräts immer eine unbekannte Größe ist.Since this ripple also depends on the output voltage that the power converter is supposed to deliver at the moment, the operating method must also offer the possibility of this output voltage in the Ifd. to measure operation. In the case of, for example, light-emitting diodes that are connected in series on a module and are to be supplied by the power converter of their operating device, the output voltage depends on the current temperature of the module. In addition, an operating device provided for the specified operating method should alternatively be able to supply many different modules with different forward voltages with current, so that the output voltage is always an unknown quantity when the operating device is started for the first time.
Schließlich soll das Betriebsverfahren ermöglichen, den demgemäß getakteten elektronischen Leistungswandler eines damit ausgestatteten Betriebsgeräts „aus dem Nichts“ heraus anfahren zu lassen, also einen minimal möglichen Dimmsollwert von Anfang an umsetzen zu können, um auf diese Weise den berüchtigten Einschaltlichtblitz zu vermeiden.Ultimately, the operating procedure should enable the correspondingly clocked electronic power converter of a control gear equipped with it to start up "out of nowhere", i.e. to be able to implement a minimum possible dimming setpoint from the start in order to avoid the notorious switch-on light flash.
Die nähere Erläuterung des Betriebsverfahrens fußt beispielhaft auf einer resonanten Halbbrücke mit Serienresonanzkreis zwischen ihrem Brückenzweig und ihrem Gleichrichter, wobei der Serienresonanzkreis einen Transformator umfasst, und wobei mindestens einer der Wicklungen dieses Transformators mindestens ein Bypasskondensator parallelgeschaltet ist, dessen Kapazität mittels des angegebenen Ansteuerverfahrens kontrolliert variabel ist. Hier wird auch beschrieben, wie dasselbe Ansteuerverfahren auf Ansteuerungen von anderen getakteten elektronischen Leistungswandlern als Stellglieder innerhalb geregelter Betriebsgeräte, wie sie besonders vorteilhaft zur Versorgung von Leuchtdioden vorgesehen sind, angewandt werden kann.The more detailed explanation of the operating method is based, for example, on a resonant half-bridge with a series resonant circuit between its bridge arm and its rectifier, the series resonant circuit comprising a transformer, and at least one of the windings of this transformer being connected in parallel with at least one bypass capacitor whose capacitance is variable in a controlled manner using the specified control method . It is also described here how the same control method can be applied to controls of other clocked electronic power converters as actuators within controlled operating devices, such as they are provided particularly advantageously for the supply of light-emitting diodes can be used.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben eines getakteten isolierenden Leistungswandlers mit einem Ausgangsleistungsbereich zum Betreiben einer anschließbaren Last, wobei sich der Ausgangsleistungsbereich aus einem zulässigen Ausgangsspannungsbereich und einem zulässigen Ausgangsstrombereich ergibt, wobei der Leistungswandler mindestens ein Schalter aufweist, welcher durch eine Steuerung mit einer geeigneten Wandlertaktfrequenz betrieben wird um mindestens eine im Stromkreis liegende Induktivität auf- und abzumagnetisieren, und eine Ein-Austastvorrichtung als Teil der Steuerung, die einen Ausgangsstrom des Leistungswandlers synchron mit der Wandlertaktfrequenz periodisch auf einen Ausgangskondensator leitet. Der Ausgangskondensator filtert hier vorteilhaft den Ausgangsstrom des Leistungswandlers.The object is achieved according to the invention with a method for operating a clocked isolating power converter with an output power range for operating a load that can be connected, the output power range resulting from a permissible output voltage range and a permissible output current range, the power converter having at least one switch which is controlled by a controller is operated at a suitable converter clock frequency in order to magnetize and demagnetize at least one inductance in the circuit, and an on/off gating device as part of the controller, which periodically directs an output current of the power converter to an output capacitor synchronously with the converter clock frequency. Here, the output capacitor advantageously filters the output current of the power converter.
Das Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- - in einem ersten Betriebsmodus, der von dem maximalen Ausgangsstrom des
Leistungswandlers von 100% bis zu einem reduzierten Ausgangsstrom reicht, Einstellen der Ein-Austastvorrichtung aufein Tastverhältnis von 100%, und Verstellen der Wandlertaktfrequenz, um den Ausgangsstrom des Leistungswandlers für die Last zu reduzieren, - - in einem zweiten Betriebsmodus, der von dem reduzierten Ausgangsstrom bis zu dem minimalen Ausgangsstrom reicht, beibehalten der Wandlertaktfrequenz und Einstellen des Tastverhältnisses um den Arbeitspunkt zu verändern, und damit den Ausgangsstrom des getakteten Wandlers für die Last weiter zu verringern, wobei eine Ein-Austastvorrichtungsfrequenz ab einem Tastverhältnis, das
im Bereich von 40% bis 20% liegt, mit abnehmendem Tastverhältnis reduziert wird, um eine Modulationstiefe der Strommodulation des Ausgangsstroms in einem gewünschten Bereich zu halten, mit dem Ziel die Lichtqualität zu optimieren z.B. um stroboskopische Effekte zu minimieren. Gleichzeitig wird durch die Reduzierung der Ein-Austastvorrichtungsfrequenz die zeitliche Auflösung des Stellglieds bzw. die Auflösung der Wirkung des Tastverhältnisses der Ein-Austastvorrichtung wunschgemäß erhöht, so dass die Stromregelung eine bessere Auflösung erhält. Die Ein-Austastvorrichtungsfrequenz ist bei dem Tastverhältnis, dasim Bereich von 40% bis 20% liegt, vorteilhaft umden Faktor 2bis 40, vorzugsweise um den Faktor 3bis 15 höher als die Ein-Austastvorrichtungsfrequenz bei minimalem Tastverhältnis.
- - in a first mode of operation ranging from the maximum output current of the power converter of 100% to a reduced output current, setting the on-off device to a duty cycle of 100%, and adjusting the converter clock frequency to reduce the output current of the power converter for the load ,
- - in a second mode of operation, ranging from the reduced output current to the minimum output current, maintaining the converter clock frequency and adjusting the duty cycle to change the operating point, and thus further reduce the output current of the clocked converter for the load, with a on-off gating device frequency from a duty cycle in the range of 40% to 20%, is reduced with a decreasing duty cycle in order to keep a modulation depth of the current modulation of the output current in a desired range, with the aim of optimizing the light quality, e.g. to minimize stroboscopic effects. At the same time, by reducing the on/off gate frequency, the temporal resolution of the actuator or the resolution of the effect of the duty cycle of the on/off gate is increased, as desired, so that the current control has a better resolution. The on/off device frequency at the duty cycle, which is in the range of 40% to 20%, is advantageously higher by a factor of 2 to 40, preferably by a factor of 3 to 15, than the on/off device frequency at the minimum duty cycle.
Das Verfahren wird zur Übertragung von elektrischer Leistung über eine galvanische Barriere hinweg genutzt, wobei die galvanische Barriere z.B. ein Isolationstransformator bzw. ein Leistungsübertrager ist, wobei die Ein-Austastvorrichtung die Strompulse mit einem verstellbaren Tastverhältnis auf den Ausgangskondensator leitet, welcher dazu dient den Ausgangsstrom zu filtern. Der Ausgangsstrom wird in dem oben genannten zweiten Betriebsmodus, der von dem reduzierten Ausgangsstrom bis zu dem minimalen Ausgangsstrom reicht, mittels Verstellen des Tastverhältnisses reduziert bzw. gedimmt. Der Ausgangsstrom wird durch das Ein-Austasten der Strompulse moduliert. Diese Modulation ist abhängig von der Ein-Austastvorrichtungsfrequenz sowie vom Tastverhältnis sowie von der Größe des Ausgangskondensators.The method is used to transfer electrical power across a galvanic barrier, where the galvanic barrier is e.g. an isolation transformer or a power transformer, the on-off gating device directs the current pulses with an adjustable duty cycle to the output capacitor, which serves to supply the output current filter. The output current is reduced or dimmed in the above-mentioned second operating mode, which ranges from the reduced output current to the minimum output current, by adjusting the duty cycle. The output current is modulated by on/off gating of the current pulses. This modulation is dependent on the on/off device frequency as well as the duty cycle and the size of the output capacitor.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Ein-Austastvorrichtung vier Arbeitspunkte auf:
- - Beim Arbeitspunkt 1 liegt die Ein-Austastvorrichtungsfrequenz in einem Bereich zwischen 60Hz und 600Hz, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 200Hz und 450Hz, und das Tastverhältnis in einem Bereich zwischen 0,05
% bis 10%, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1% und 5%, - -
Beim Arbeitspunkt 2 liegt die Ein-Austastvorrichtungsfrequenz in einem Bereich zwischen 800Hz und 4000Hz, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1000Hz und 2000Hz, und das Tastverhältnis in einem Bereich zwischen 15% bis 35%, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20% und 30%, - - Beim Arbeitspunkt 3 liegt die Ein-Austastvorrichtungsfrequenz in einem Bereich zwischen 800Hz und 4000Hz, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1000Hz und 2000Hz, und das Tastverhältnis in einem Bereich zwischen 65% bis 85%, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 70% und 80%,
- -
Beim Arbeitspunkt 4 liegt die Ein-Austastvorrichtungsfrequenz in einem Bereich zwischen 60Hz und 600Hz, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 200Hz und 450Hz, und das Tastverhältnis in einem Bereich zwischen 90% bis 100%, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 98% und 100%.
- - At operating point 1, the on/off gate frequency is in a range between 60Hz and 600Hz, preferably in a range between 200Hz and 450Hz, and the duty cycle in a range between 0.05% to 10%, preferably in a range between 1% and 5 %,
- - At
operating point 2, the on/off device frequency is in a range between 800Hz and 4000Hz, preferably in a range between 1000Hz and 2000Hz, and the duty cycle is in a range between 15% and 35%, preferably in a range between 20% and 30%, - - At operating point 3, the on/off device frequency is in a range between 800Hz and 4000Hz, preferably in a range between 1000Hz and 2000Hz, and the duty cycle is in a range between 65% and 85%, preferably in a range between 70% and 80%,
- - At
operating point 4, the on/off gate frequency is in a range between 60Hz and 600Hz, preferably in a range between 200Hz and 450Hz, and the duty cycle in a range between 90% and 100%, preferably in a range between 98% and 100%.
Mit dieser Maßnahme werden die oben genannten Ziele besonders gut erreicht und die Lichtqualität erhöht sich über den gesamten Dimmbereich beträchtlich.With this measure, the above goals are achieved particularly well and the light quality increases considerably over the entire dimming range.
In einer weiteren Ausführungsform steigt die Ein-Austastvorrichtungsfrequenz im Bereich zwischen dem Arbeitspunkt 1 und dem Arbeitspunkt 2 linear über dem Tastverhältnis an. Dies stellt vorteilhaft einen besonders weichen und im Licht nicht wahrnehmbaren Übergang zwischen den Arbeitspunkten sicher.In a further embodiment, the on-blanker frequency increases linearly over the duty cycle in the range between operating point 1 and
In einer anderen Ausführungsform fällt die Ein-Austastvorrichtungsfrequenz im Bereich zwischen dem Arbeitspunkt 3 und dem Arbeitspunkt 4 linear über dem Tastverhältnis ab. Auch hier wird durch die Maßnahme eine besonders konstante bzw. angenehme Lichtqualität beim dimmen angestrebt.In another embodiment, in the range between operating point 3 and
In einer weiteren Ausführungsform bleibt die Ein-Austastvorrichtungsfrequenz im Bereich zwischen dem Arbeitspunkt 2 und dem Arbeitspunkt 3 im Wesentlichen konstant. Auch diese Maßnahme dient einem möglichst gleichförmigen Dimmvorgang ohne sichtbare Stufen in der Lichtabgabe.In another embodiment, the on/off gate frequency remains substantially constant in the range between
In einer bevorzugten Ausführungsform wiederholen sich Pulsmuster der Ein-Austastvorrichtung periodisch mit der Ein-Austastvorrichtungsfrequenz. Diese Maßnahme dient vorteilhaft einer vereinfachten Steuerung des Leistungswandlers und stellt auch eine hochwertige Lichtqualität sicher.In a preferred embodiment, pulse patterns of the on-blanker repeat periodically at the on-blanket frequency. This measure is advantageously used for simplified control of the power converter and also ensures a high quality of light.
In einer anderen Ausführungsform ist der Ausgangskondensator der Ein-Austastvorrichtung nachgeschaltet und parallel zu Ausgangsklemmen des Leistungswandlers geschaltet, und die Kapazität des Ausgangskondensators wird derart gewählt, dass eine Modulationstiefe der Strommodulation des Ausgangsstroms folgende Kriterien erfüllt:
- - Bei einer Ein-Austastvorrichtungsfrequenz von 70Hz bis 100Hz liegt die
Modulationstiefe im Bereich 50% bis 10% und vorzugsweise im Bereich 25% bis 10%, - - Bei einer Ein-Austastvorrichtungsfrequenz von 200Hz bis 240Hz liegt die Modulationstiefe im Bereich 60
% bis 12% und vorzugsweiseim Bereich 30% bis 12%, - - Bei einer Ein-Austastvorrichtungsfrequenz von 500Hz bis 600Hz liegt die Modulationstiefe im Bereich 80% bis 26% und vorzugsweise im Bereich 65% bis 26%,
- - Bei einer Ein-Austastvorrichtungsfrequenz von 1000Hz bis 1200Hz liegt die Modulationstiefe im Bereich 85% bis 36% und vorzugsweise im Bereich 80% bis 36%,
- - Bei einer Ein-Austastvorrichtungsfrequenz von 1200Hz bis 4000Hz liegt die
Modulationstiefe im Bereich 100% bis 36% und vorzugsweise im Bereich 90% bis 36%.
- - With an on-off-blanker frequency of 70Hz to 100Hz, the modulation depth is in the range of 50% to 10% and preferably in the range of 25% to 10%,
- - With an on-off-blanker frequency of 200Hz to 240Hz, the modulation depth is in the range of 60% to 12% and preferably in the range of 30% to 12%,
- - With an on-off-blanker frequency of 500Hz to 600Hz, the modulation depth is in the range of 80% to 26% and preferably in the range of 65% to 26%,
- - With an on-off-blanker frequency of 1000Hz to 1200Hz, the modulation depth is in the range of 85% to 36% and preferably in the range of 80% to 36%,
- - With an on-blanker frequency of 1200Hz to 4000Hz, the modulation depth is in the
range 100% to 36% and preferably in the range 90% to 36%.
Diese Maßnahme stellt vorteilhaft ein gleichmäßiges Leuchten aller an den Leistungswandler angeschlossenen LED's im gesamten Dimmbereich sicher, und ermöglicht ein hochwertiges, wenig moduliertes Licht bei größeren Leistungen.This measure advantageously ensures uniform lighting of all LEDs connected to the power converter in the entire dimming range, and enables high-quality light with little modulation at higher power levels.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist innerhalb einer Periode der Ein-Austastvorrichtungsfrequenz mindestens ein Zeitabschnitt vorgesehen, an dem die anschließbare Last vermessen wird. Dies stellt eine genaue Regelung der Ausgangsleistung des getakteten Leistungswandlers sicher, der das Verfahren ausführt. Das hat vorteilhaft eine hohe Lichtqualität zur Folge.In a particularly preferred embodiment, at least one time segment is provided within a period of the on/off switching device frequency, in which the load that can be connected is measured. This ensures accurate regulation of the output power of the switched-mode power converter performing the method. This advantageously results in a high quality of light.
In einer Ausgestaltung der vorherigen Ausführungsform findet der Zeitabschnitt, an dem die anschließbare Last vermessen wird, zu einem Zeitpunkt statt, an dem die Ein-Austastvorrichtung den Ausgangsstrom des Leistungswandlers auf den Ausgangskondensator leitet, wobei der Zeitabschnitt im Bereich 10us bis 5000us und vorzugsweise im Bereich 50us bis1000us liegt. Diese Maßnahme dient einer einfachen und präzisen Regelung des getakteten Leistungswandlers.In a refinement of the previous embodiment, the period of time at which the connectable load is measured occurs at a time when the on/off device directs the output current of the power converter onto the output capacitor, the period of time being in the range 10us to 5000us and preferably in the range 50us to 1000us. This measure is used for simple and precise regulation of the clocked power converter.
Besonders bevorzugt werden während des Zeitabschnittes, an dem die anschließbare Last vermessen wird, Größen gemessen, welche für eine Stromregelung des Leistungswandlers als Eingangsgrößen benötigt werden, insbesondere ein Eingangsstrom und eine Eingangsspannung auf einer Primärseite des Leistungswandlers sowie eine Ausgangsspannung auf der Sekundärseite des Leistungswandlers. Durch diese Maßnahme ist eine besonders genaue Regelung des getakteten Leistungswandlers möglich.During the time segment in which the load that can be connected is measured, variables are particularly preferably measured which are required as input variables for current regulation of the power converter, in particular an input current and an input voltage on a primary side of the power converter and an output voltage on the secondary side of the power converter. This measure enables a particularly precise regulation of the clocked power converter.
In einer Weiterbildung der vorherigen Ausführungsform werden mithilfe der gemessenen Größen insbesondere ein Eingangsstrom und eine Eingangsspannung auf einer Primärseite des Leistungswandlers sowie eine Ausgangsspannung auf der Sekundärseite des Leistungswandlers und mithilfe des Tastverhältnisses und eines Modells für die anfallenden Verluste zwischen Primär- und Sekundärseite des Wandlers der Ausgangsstrom berechnet und durch das Verstellen des Tastverhältnisses geregelt. Diese Maßnahme stellt ebenfalls eine gute und genaue Regelung der Ausgangsleistung sicher.In a development of the previous embodiment, the measured variables are used in particular to calculate an input current and an input voltage on a primary side of the power converter and an output voltage on the secondary side of the power converter, and the output current using the duty cycle and a model for the losses occurring between the primary and secondary sides of the converter calculated and controlled by adjusting the duty cycle. This measure also ensures good and precise regulation of the output power.
Der durch das angegebene Verfahren steuerbare elektronische Leistungswandler wird umfasst von einem Betriebsgerät für die Steuerung und Energieversorgung von Leuchtdioden, die zur Beleuchtung vorgesehen sind.The electronic power converter that can be controlled by the specified method is comprised of an operating device for the control and power supply of light-emitting diodes that are provided for lighting.
Als Pulsmuster wird im Folgenden ein Muster der Strompulse angesehen, die auf den Ausgangskondensator des Schaltwandler fließen bzw. nicht-fließen indem die Strompulse mittels der Ein-Austast-Vorrichtung ein- und ausgetastet werden.In the following, a pattern of the current pulses that are applied to the output capacitor of the switching converter flow or not flow by the current pulses being gated on and off by means of the on-off gating device.
Als Ein-Austast-Vorrichtung wird im Folgenden eine Vorrichtung angesehen, mit der der Stromfluss bzw. die Strompulse auf den Ausgangskondensator des Schaltwandlers ein- und ausgetastet werden können. Das Ein- und Austasten der Strompulse geschieht synchron zur Schaltfrequenz des Wandlers, also zur Wandlertaktfrequenz. Ausführungsbeispiele für die Ein-Austast-Vorrichtung: wären z. B.:
- - Bei einem getakteten Wandler mit LLC-Topologie mit Halbbrückenschaltern und LLC Resonanzkreisen wird ein Bypass-Kondensator ein- und ausgetastet.
- - Bei einem getakteten Wandler in Flyback-Topologie oder in einer anderen Eintakt-Leistungswandlertopologie mit einem MOS-FET als getaktetem Schalter und einem Transformator wird der MOS-FET ein- und ausgetastet. Austasten bedeutet hier, dass der MOS-FET nicht im Wandlertakt schaltet, sondern für die Aus-Tastzeit permanent ausgeschaltet bleibt.
- - In a clocked converter with LLC topology with half-bridge switches and LLC resonant circuits, a bypass capacitor is keyed in and out.
- - In a flyback topology clocked converter or other single-ended power converter topology with a MOSFET as a clocked switch and a transformer, the MOSFET is keyed on and off. Blanking here means that the MOS-FET does not switch in the converter cycle, but remains permanently switched off for the off-switching time.
Das Tastverhältnis entspricht dem zeitlichen Anteil in % währenddessen die Strompulse auf den Ausgangskondensator fließen d.h. Ein-getastet sind. Das Tastverhältnis hier entspricht also vom Prinzip her dem Tastverhältnis bei einer klassischen PulsweitenmodulationThe duty cycle corresponds to the percentage of time during which the current pulses flow to the output capacitor, i.e. are switched on. In principle, the duty cycle here corresponds to the duty cycle in a classic pulse width modulation
Die Wandlertaktfrequenz ist die Taktfrequenz des getakteten isolierenden Leistungswandlers, also die Frequenz, mit dem der oder die Schalter bzw. Transistoren des getakteten isolierenden Leistungswandlers ein- bzw. ausgeschaltet werden.The converter clock frequency is the clock frequency of the switched-mode isolating power converter, ie the frequency at which the switch or transistors of the switched-mode isolating power converter are switched on and off.
Als Ein-Austastvorrichtungsfrequenz wird im Folgenden die Frequenz der Ein-Austastvorrichtung, welche mit der Wandlertaktfrequenz synchronisiert ist, angesehen. In einer Periode der Ein-Austastvorrichtungsfrequenz kann mehrmals der Strompfad vom Ausgang des getakteten isolierenden Leistungswandlers auf den Ausgangskondensator des getakteten isolierenden Leistungswandlers geschaltet werden. Die Ein-Ausschaltvorrichtung erzeugt also in einer Periode ein Pulsmuster, wobei die Pulse Strompulse, welche in den Ausgangskondensator fließen, darstellen.In the following, the frequency of the on/off device, which is synchronized with the converter clock frequency, is regarded as the on/off device frequency. In one period of the on-off-sampler frequency, the current path may be switched from the output of the switched-mode isolating power converter to the output capacitor of the switched-mode isolating power converter several times. The on/off switching device thus generates a pulse pattern in one period, the pulses representing current pulses which flow into the output capacitor.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.Preferred embodiments can be found in the dependent claims and the disclosure as a whole, whereby the presentation does not always distinguish in detail between device and use aspects; at least implicitly, the disclosure is to be read with regard to all categories of claims.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines getakteten isolierenden Leistungswandlers ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.Further advantageous developments and refinements of the method according to the invention for operating a clocked isolating power converter result from further dependent claims and from the following description.
Figurenlistecharacter list
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
-
1a einen durch sechs Regelkoordinaten begrenzten geforderten Arbeitsbereich im IV-Diagramm, -
1b einen bis zu den Achsen des IV-Diagramms ausgedehnten günstigen Arbeitsbereich, -
1c einen bis zu den Achsen des IV-Diagramms ausgedehnten ungünstigen Arbeitsbereich, -
2 einen möglichen Arbeitsbereich eines resonanten LLCC-Halbbrückenwandlers mit mindestens einer schaltbaren Resonanzkapazität, -
3a einen Arbeitsbereich eines hartschaltenden Tiefsetzstellers, -
3b einen Arbeitsbereich bspw. eines hartschaltenden SEPICs, -
4a ein Modell zur Welligkeitsermittlung an ohmscher Last, -
4b ein Modell zur Welligkeitsermittlung mit differenziellem Lastwiderstand, -
5 Frequenzen für konstante Welligkeit eines durch PWM gesteuerten Mittelwertes abhängig vom Duty-Cycle oder Tastverhältnis derselben PWM, -
6a eine Anwendung des Betriebsverfahrens auf ein Weitbereichs-LED-Betriebsgerät in einer Darstellung seinesvollen Dimmbereichs von 100% bis unter 1%, -
6b eine detailliertere Darstellung des unteren Dimmbereichs des Betriebsgeräts mit dem Betriebsverfahren, -
7a gemessene Signale am rechten Rand der6b , -
7b gemessene Signale an einem Punkt in der Mitte von6b , -
7c gemessene Signale am linken Rand der6b , -
8 eine Darstellung möglicher Trajektorien zum Starten eines neu installierten Weitbereich-Betriebsgeräts aus völliger Dunkelheit und anschließendem Hochfahren der LED-Helligkeit.
-
1a a required work area in the IV diagram delimited by six control coordinates, -
1b a favorable working range extended to the axes of the IV diagram, -
1c an unfavorable working range extended to the axes of the IV diagram, -
2 a possible working range of a resonant LLCC half-bridge converter with at least one switchable resonant capacitance, -
3a a working range of a hard-switching step-down converter, -
3b a working area, e.g. of a hard-switching SEPIC, -
4a a model for determining ripple on an ohmic load, -
4b a model for ripple determination with differential load resistance, -
5 Frequencies for constant ripple of a PWM controlled mean depending on the duty cycle or duty cycle of the same PWM, -
6a an application of the operating method to a wide-range LED control gear in a representation of its full dimming range from 100% to less than 1%, -
6b a more detailed representation of the lower dimming range of the control gear with the operating procedure, -
7a measured signals at the right edge of the6b , -
7b measured signals at a point in the middle of6b , -
7c measured signals on the left edge of the6b , -
8th a representation of possible trajectories for starting a newly installed wide-range control gear from complete darkness and then ramping up the LED brightness.
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Da die Begrenztheit der möglichen Arbeitsbereiche von getakteten elektronischen Leistungswandlern, jeweils betrieben in ihrem Normalmodus, durch das anzugebende Betriebsverfahren insbesondere zu noch kleineren Ausgangsleistungen oder -strömen hin überwunden werden kann, werden zunächst die natürlichen Grenzen der möglichen Arbeitsbereiche einiger ausgewählter getakteter elektronischer Leistungswandler beschrieben und den Grenzen eines geforderten Arbeitsbereichs gegenübergestellt. Das Betriebsverfahren besagt, dass es einen damit beaufschlagten getakteten elektronischen Leistungswandler in seinem Normalmodus betreibt, solange der geforderte Arbeitspunkt im möglichen Arbeitsbereich des Leistungswandlers liegt, und dass es denselben Leistungswandler in einem Burstmodus betreibt, sobald der geforderte Arbeitspunkt links von dem möglichen Arbeitsbereich liegt. Ferner kann das Betriebsverfahren die Modusgrenze zwischen diesen beiden Bereichen selbständig erkennen. Innerhalb des Burstmodus wird von dem Betriebsverfahren eine spezielle Takterzeugung angewandt.Since the limitations of the possible working ranges of clocked electronic power converters, each operated in their normal mode, can be overcome by the operating method to be specified, in particular for even smaller output powers or currents, the natural limits of the possible working ranges of some selected clocked electronic power converters are first described and the Boundaries of a required work area compared. The operating method states that it operates a switched-mode electronic power converter loaded with it in its normal mode as long as the required operating point is within the possible operating range of the power converter, and that it operates the same power converter in a burst mode as soon as the required operating point is to the left of the possible operating range. Furthermore, the operating method can independently recognize the mode boundary between these two areas. A special clock generation is used by the operating method within the burst mode.
Viele hartschaltende oder anderweitig getaktete elektronische Leistungswandler arbeiten bei sehr kleinen Ausgangsspannungen nicht ordnungsgemäß, sodass die IAMax-Regelkoordinate bei einer minimalen Ausgangsspannung VAMin endet und die Begrenzung des Arbeitsbereichs von der dazugehörigen VAMin-Regelkoordinate übernommen wird. Die nun sowieso schon kleine Ausgangsleistung reduziert sich mit abnehmendem Ausgangsstrom IA noch weiter, bis die Hyperbel der konstanten und minimal möglichen Ausgangsleistung PAMin erreicht wird. Je weiter der Ausgangsstrom IA sinkt, desto höher muss im Gegenzug die Ausgangsspannung VA werden. Alle noch kleineren Ausgangsleistungen, also alle Arbeitspunkte unterhalb oder links von dieser PAMin-Hyperbel, sind von einem bestimmten Leistungswandler in seinem Normalmodus nicht erreichbar. Gleiches gilt für einen minimalen Ausgangsstrom IAMin, der im Normalmodus eines Leistungswandlers nicht unterschritten werden kann. Daher ist die linke Begrenzung des Arbeitsbereichs die Regelkoordinate für IAMin.Many hard-switching or otherwise clocked electronic power converters do not operate properly at very small output voltages, so the I AMax control coordinate ends at a minimum output voltage V AMin and the limitation of the operating range is taken over by the associated V AMin control coordinate. The output power, which is already small anyway, is reduced even further as the output current I A decreases, until the hyperbola of the constant and minimum possible output power P AMin is reached. The further the output current I A falls, the higher the output voltage V A must be in return. All even smaller output powers, ie all operating points below or to the left of this P AMin hyperbola, cannot be reached by a specific power converter in its normal mode. The same applies to a minimum output current I AMin, which cannot be fallen below in the normal mode of a power converter. Hence the left boundary of the working area is the rule coordinate for I AMin .
Diese Begrenzung ist die kritischste aus zwei Gründen. Viele LED-Betriebsgeräte können vor ihrer Inbetriebnahme auf einen individuellen maximalen Ausgangsstrom eingestellt werden, der kleiner als der konstruktiv mögliche maximale Ausgangsstrom sein kann. Wenn der LED-Strom dimmbar sein soll, also wenn der Ausgangsstrom im Betrieb reduzierbar sein soll, wird der Grad dieser Reduktion immer relativ zum eingestellten Maximalstrom angegeben. Damit wird auch der tatsächlich geforderte minimale Ausgangsstrom kleiner, wenn der maximale Ausgangsstrom kleiner eingestellt worden ist. Soll das Gerät obendrein seinen Ausgangsstrom bis (fast) auf null herunterdimmen können, muss dies vom darin arbeitenden Leistungswandler über seinen möglichen Arbeitsbereich im Normalmodus entweder erreichbar sein, oder das angegebene Betriebsverfahren mit einem zweiten Bereich im Burstmodus für besonders kleine Ausgangsströme kann für diesen Leistungswandler angewandt werden.This limitation is the most critical for two reasons. Many LED control gear can be set to an individual maximum output current before they are put into operation, which can be smaller than the maximum output current that is possible in the design. If the LED current should be dimmable, i.e. if the output current should be able to be reduced during operation, the degree of this reduction is always specified relative to the maximum current set. This means that the minimum output current actually required is also smaller if the maximum output current has been set smaller. If the device is also to be able to dim its output current down to (almost) zero, this must either be achievable by the power converter working in it over its possible operating range in normal mode, or the specified operating procedure with a second range in burst mode for particularly small output currents can be used for this power converter become.
In
Fraglich sind jedoch das linke Ende des IA-Achsenabschnitts und das untere Ende des VA-Achsenabschnitts, deren Verbindungskurve 1 die Hyperbel minimaler Ausgangsleistung ersetzen muss. Denn keine Hyperbel einer noch so kleinen minimalen Ausgangsleistung schneidet eine der Achsen des IV-Diagramms. In
Der Punkt VALeerMin bei IA = 0 des geforderten Arbeitsbereichs ist von den dick und durchgezogen eingezeichneten natürlichen Grenzen des möglichen Arbeitsbereichs NICHT umfasst. Die Verbindungskurve 2 als Begrenzung „minimaler Ausgangsstrom“ des möglichen Arbeitsbereichs führt daran vorbei. Bspw. eine der Kapazitäten im Resonanzsystem des LLCC-Wandlers kann verändert, zumeist vergrößert werden wie in
Bei Betrieb im Normalmodus soll kein Arbeitspunkt unterhalb der von VALeerMin definierten Horizontalen angefahren werden, bei Überlastung oder Kurzschluss geschieht dies zwangsweise. Der unterhalb von VALeerMin schraffiert eingezeichnete Arbeitsbereich als Teil des möglichen Arbeitsbereichs zeigt, dass fast jeder resonante Wandler, insbesondere der hier zugrunde gelegte, kurzschlussfest ist.When operating in normal mode, no operating point should be below the Hori defined by V ALeerMin be approached zontal, in the event of an overload or short circuit, this happens compulsorily. The hatched working range below V ALeerMin as part of the possible working range shows that almost every resonant converter, especially the one used here, is short-circuit proof.
Dünn und gestrichelt sind ferner die sogenannten Isotachen eingezeichnet, also die Arbeitskurven bei jeweils konstanter (griechisch „Iso“ = gleich) Taktfrequenz (griechisch „tachys“ = Geschwindigkeit) der resonanten Halbbrücke. Der Sprung in der Taktfrequenz zwischen zwei benachbarten Isotachen beträgt jeweils 10 kHz, die niedrigere Taktfrequenz liegt jeweils rechts. Die hohe Steilheit dieser Isotachen im IV-Diagramm, jeweils gültig für den kleineren Wert eines vergrößerbaren Resonanzkondensators, zeigt, dass der im Experiment gewählte LLCC-Leistungswandler bereits von sich aus eine ausgeprägte Stromquellencharakteristik aufweist. Der volle Spannungshub von 15 V bis 54 V bewirkt bei konstanter Taktfrequenz nur wenige mA Änderung des Ausgangsstroms IA. Zur Ausregelung von Änderungen der Ausgangsspannung VA ist also nur eine geringe Frequenzverstellung nötig, um den Ausgangsstrom konstant zu halten.The so-called isotaches are also drawn thin and dashed, i.e. the working curves at a constant (Greek "iso" = equal) clock frequency (Greek "tachys" = speed) of the resonant half-bridge. The jump in the clock frequency between two adjacent isotaches is 10 kHz in each case, the lower clock frequency is on the right. The high steepness of these isotaches in the IV diagram, each valid for the smaller value of an enlargeable resonance capacitor, shows that the LLCC power converter selected in the experiment already has a pronounced current source characteristic. The full voltage swing from 15 V to 54 V causes only a few mA change in the output current I A at a constant clock frequency. In order to compensate for changes in the output voltage V A , only a small frequency adjustment is necessary in order to keep the output current constant.
Auch bei den Eintakt-Leistungswandlern gibt es natürliche Grenzen ihrer möglichen Arbeitsbereiche, insbesondere bei CRM oder TCM als ihrem Normalmodus, die durch die Topologie an sich, durch die Auslegung ihrer Bauteile und durch den Taktgenerator definiert sind. Der Taktgenerator erzeugt bspw. aus einem analogen Signal eine PWM mit einer Taktperiode T, womit der aktive Leistungstransistor angesteuert wird. Dabei wechseln sich Einschaltzeitdauern tOn und Ausschaltzeitdauern toff jeweils ab. Es gilt also tOn + toff = T. Eine für den möglichen Arbeitsbereich wichtige Größe ist die minimale Einschaltzeitdauer tOnMin, die der Taktgenerator noch zuverlässig erzeugen kann. Die zweite wichtige Größe ist der Wert L der in jedem Eintakt-Leistungswandler mindestens einen vorkommenden Speicherinduktivität. Die Eingangsspannung E, die immer auch von einem Leistungsfaktorkorrektor angeboten sein kann, und auf die die Ausgangsspannung VA zurückbezogen werden kann, ist die dritte wichtige Größe.Even with single-ended power converters, there are natural limits to their possible operating ranges, especially with CRM or TCM as their normal mode, which are defined by the topology itself, by the design of their components and by the clock generator. The clock generator generates, for example, a PWM with a clock period T from an analog signal, with which the active power transistor is driven. Switch-on periods t on and switch-off periods t off alternate in each case. It is therefore t On +t off = T. A variable that is important for the possible operating range is the minimum switch-on time t OnMin that the clock generator can still reliably generate. The second important quantity is the value L of the at least one storage inductance occurring in each single-ended power converter. The input voltage E, which can always be provided by a power factor corrector and to which the output voltage V A can be related, is the third important variable.
Der Arbeitsbereich eines Tiefsetzstellers als Leistungswandler im IV-Diagramm von
Der Strom IL in der Speicherinduktivität L vollführt also einen lückenlosen und gleichmäßigen Sägezahnverlauf zwischen null und ÎL. Für den Tiefsetzsteller folgt daraus erstens, dass sich sein Ausgangsstrom durch die einfache Gleichung
Die Berechnung des Arbeitsbereichs eines hartschaltenden reinen Hochsetzstellers läuft analog ab und ergibt
Dass kleine und sehr kleine Ausgangsströme selbst mit den einfachsten getakteten elektronischen Leistungswandlern, den Eintakt-Leistungswandlern, in ihrem Normalmodus (bspw. CRM oder TCM) nicht erreichbar sind, obwohl dies bspw. für ein tiefes Dimmen von LED nötig ist, wenn diese von den Leistungswandlern versorgt und gesteuert werden, unterstreicht die Notwendigkeit des angegebenen Betriebsverfahrens.The fact that small and very small output currents cannot be achieved even with the simplest clocked electronic power converters, the single-ended power converters, in their normal mode (e.g. CRM or TCM), although this is necessary, for example, for deep dimming of LEDs when they are powered by the powered and controlled by power converters underscores the need for the specified method of operation.
Im Gegensatz zu vielen anderen Verfahren der Takterzeugung spielt hier die Restwelligkeit der vom angegebenen Betriebsverfahren gesteuerten Größe die entscheidende Rolle. Diese Restwelligkeit, die auch als Modulationstiefe der Strommodulation des Ausgangsstroms bezeichnet werden kann, soll in einem gewünschten Bereich gehalten werden, um unerwünschte Stroboskopeffekte und Lichtflicker zu vermeiden bzw. zu minimieren. Deshalb muss zunächst diese Restwelligkeit definiert werden, die von einer Taktung verursacht nicht nur von der Periodendauer T, sondern auch vom Tastverhältnis oder Duty-Cycle D derselben Taktung abhängt.In contrast to many other methods of clock generation, the residual ripple of the variable controlled by the specified operating method plays the decisive role here. This residual ripple, which can also be referred to as the modulation depth of the current modulation of the output current, should be kept within a desired range in order to avoid or minimize undesired stroboscopic effects and light flicker. Therefore, this residual ripple must first be defined, which is caused by clocking and not only depends on the period T, but also on the duty cycle D of the same clocking.
Als Vereinfachung soll gelten, dass die Welligkeit der Filterkondensatorspannung VC der Welligkeit des Ausgangsstroms IA genau entspricht, was für rein ohmsche Lasten mit relativ hohem Widerstandswert als zulässige Vereinfachung angenommen werden darf, weil die absolute Stromwelligkeit klein gegenüber der absoluten Spannungswelligkeit ist und letztere somit kaum beeinflusst. Dann ist die Definition der Welligkeit X durch
- • Je höher die Kapazität des Ausgangsfilterkondensators CA ist, desto niedriger kann die Taktfrequenz f gewählt sein.
- • Je höher der Ladestrom bzw. der maximale Ausgangsstrom IC ist, desto höher muss die Taktfrequenz f gewählt sein.
- • Je niedriger die Ausgangswelligkeit Delta(VC) sein soll, desto höher muss die Taktfrequenz f gewählt sein.
- • Der Term ¼-(D-½)2 beschreibt die auf den Kopf gestellte Parabel, deren Werte abhängig vom Tastverhältnis D mit den obigen drei statischen Faktoren multipliziert werden müssen, um die tatsächlich passende Taktfrequenz f zu erhalten.
- • The higher the capacity of the output filter capacitor C A , the lower the clock frequency f can be selected.
- • The higher the charging current or the maximum output current I C , the higher the clock frequency f must be selected.
- • The lower the output ripple Delta(V C ) should be, the higher the clock frequency f must be selected.
- • The term ¼-(D-½) 2 describes the upside down parabola whose values, depending on the duty cycle D, must be multiplied by the above three static factors in order to obtain the clock frequency f that actually fits.
Eine sich aus diesem Parabelterm ergebende Erhöhung der Taktfrequenz „in der Mitte“ der D-Werte und eine Reduzierung dieser Frequenz an „den Rändern“ ist ein Kernpunkt des angegebenen Ansteuerverfahrens, um über einen weiten D-Bereich hinweg eine konstante Restwelligkeit Delta(Vc) zu erzielen beziehungsweise eine maximal zulässige Restwelligkeit konstant auszunutzen. Von der Rückseite aus betrachtet, also gültig für konstante Taktfrequenz f, ist die Restwelligkeit
Für
Wird der differenzielle Widerstand R'A noch kleiner, entwickelt das „Giebeldach“, also der für konstante Restwelligkeit nötige Frequenzgang, eine deutliche Spitze und schließlich eine Polstelle bei D = ½. Die Spitze deutet an, dass dort der Ausgangsstrom IA aus
Im Folgenden wird der Vermutung nachgegangen, dass für alle D > ½ die Ausschaltzeitdauer toff = tOffMin einer Takterzeugung konstant sei, und dass für alle D < ½ die Einschaltzeitdauer tOn = tOnMin derselben Takterzeugung konstant sei. In der Mitte, also bei D = ½, gilt beides, also toff = tOffMin = tOn = tOnMin = TMin/2.In the following, the assumption is followed that for all D > 1/2 the switch-off time t off = t OffMin of a clock generation is constant, and that for all D < 1/2 the switch-on time t On = t OnMin of the same clock generation is constant. In the middle, i.e. at D = ½, both apply, i.e. t off = t OffMin = t On = t OnMin = T Min /2.
Der über
Die letzte Gleichung führt zu
Dieselbe Berechnung für D < ½ bei einer Takterzeugung mit konstanter Einschaltzeitdauer tOn = tOnMin ergibt über
Die dort mit dem Geradenzug 22+23 dargestellte Giebeldachform genügt also exakt einem Takterzeugungsschema, bei dem für alle D > ½ die Ausschaltzeitdauer tOff konstant bleibt und für alle D < ½ die Einschaltzeitdauer tOn. Das angegebene Ansteuerungsverfahren verhält sich zumindest in zwei zusammenhängenden Abschnitten variabler D-Werte des gesamten D-Bereiches dementsprechend oder zumindest näherungsweise entsprechend diesem Takterzeugungsschema.The gable roof shape shown there with the
Dieses Ansteuerverfahren, also bei D = 0 beginnend mit einer konstanten Einschaltzeit tOn das D bis ½ zu vergrößern, indem die Taktfrequenz linear zunimmt, und danach mit konstanter Ausschaltzeit toff das D weiter bis 1 zu vergrößern, indem die Taktfrequenz wieder linear abnimmt, kann bspw. für die Übertragung analoger Signale über eine galvanische Isolationsbarriere hinweg angewandt werden, wobei das Signal im Tastverhältnis D kodiert ist, oder für die Erzeugung des Taktsignals für den mindestens einen aktiven Leistungstransistor eines getakteten elektronischen Leistungswandlers, der elektrische Leistung über eine galvanische Barriere in Form eines Isolationstransformators übertragen soll, wobei die Höhe der Leistung im Tastverhältnis D kodiert ist, oder für die Steuerung eines Burstmodus', was im Folgenden näher erläutert wird.This control method, i.e. at D = 0 starting with a constant switch-on time t on , increasing D by ½ by linearly increasing the clock frequency, and then increasing D further to 1 with a constant switch-off time t off , by linearly decreasing the clock frequency again, can be used, for example, for the transmission of analog signals across a galvanic isolation barrier, with the signal being encoded in the duty cycle D, or for generating the clock signal for the at least one active power transistor of a switched-mode electronic power converter that converts electrical power across a galvanic barrier into Is to be transmitted in the form of an isolation transformer, with the level of power being encoded in the duty cycle D, or for controlling a burst mode, which is explained in more detail below.
Von einem D = 1 beginnend bedeutet dasselbe Ansteuerverfahren, mit einer niedrigen Takt- oder Burstfrequenz f während einer relativ kurzen Zeitdauer tOff einen Energiefluss periodisch auszuschalten und von dort beginnend das D zu verkleinern, indem tOff konstant gehalten und die Takt- oder Brustfrequenz f erhöht wird bis zu einem D = ½. Daher heißt die dazu korrespondierende Diagonale 22 aus
Rechts davon herrscht ein D = 100% sowie eine ebenso konstante, aber kleinere Welligkeit W des Ausgangssignals bezogen auf einen Maximalstrom, der dem Punkt PS = 100 % entspricht. Hier ist der Ausgangsstrom an der x-Achse relativ in Form eines Prozentsatzes PS angetragen, jeweils bezogen auf obigen Maximalstrom. In dem größeren rechten Bereich der
Obiger maximale Ausgangsstrom ist entweder bei einer (bspw. vom angeschlossenen LED-Modul vorgegebenen) Ausgangsspannung konstruktiv maximal möglich oder bei Inbetriebnahme des Betriebsgeräts fest und unterhalb des maximal möglichen Wertes eingestellt. Im Normalmodus kann fast jeder getaktete elektronische Leistungswandler bei allen für ihn üblichen Ausgangsspannungen 40% bis 4% dieses maximalen Ausgangsstroms erreichen, die Modusgrenze des angegebenen Betriebsverfahrens liegt also bei PS = 40% ... 4%. Diese Modusgrenze entspricht der linken natürlichen Grenze eines für den im Betriebsgerät arbeitenden Leistungswandler möglichen Arbeitsbereichs gemäß einer der
Da laut
Für Prozentsätze PS wie in
Genau deswegen erlaubt das angegebene Betriebsverfahren im Burstmodus sogar noch höhere Werte für die Welligkeit W des Ausgangsstroms bspw. eines mit dem Betriebsverfahren arbeitenden LED-Betriebsgeräts, als sie das oben beschriebene und hierfür grundsätzlich vorgesehene Konstant-toff-und-dann-konstant-tOn-Ansteuerverfahren eigentlich ergäbe. Dazu wird das Ansteuerverfahren, bei dem zunächst unter einem im Wesentlichen konstanten tOff die Burstfrequenz f erhöht wird, um das Tastverhältnis D zu reduzieren, ab einem ersten Punkt A abgewandelt, an dem die Burstfrequenz f einen Wert fDACH erreicht, der deutlich unter dem Wert von fMax aus
Diese Spitze im Verlauf der Welligkeit W über dem Tastverhältnis D entspricht der Giebeldachform von
Im oberen Graphen ist gestrichelt die besagte Giebeldachform bestehend aus dem Konstant-toff-Ast 22 und dem Konstant-tOn-Ast 23 eingezeichnet, wonach diejenigen Burstfrequenzen f in kHz darstellbar sind, die sich theoretisch gemäß dem angegebenen Ansteuerverfahren ergeben, um - wie im unteren Graphen abschnittsweise dargestellt - eine konstante Restwelligkeit W von bspw. 5 % in Bezug auf den Ausgangsstrom an der Modusgrenze zu erhalten. Wie durch die gepunktete Diagonale und die Schraffuren darunter dargestellt, sind an der Modusgrenze am rechten Rand dieses unteren Graphen ¾ der Restwelligkeit durch die Schwankungen der internen Versorgungsspannung E bzw. durch den Netzbrumm verursacht, dessen Effekt bei Abnahme der Ausgangsleistung, für Versorgung von LED also bei Abnahme des Ausgangsstroms und somit bei Abnahme von D ebenso linear abnimmt. Daher darf am linken Rand, also bspw. bei D = 1 %, die volle Restwelligkeit durch den Burstbetrieb als solchen verursacht sein, wofür beispielsweise eine Burstfrequenz f01 = 100 Hz ausreicht, wohingegen am rechten Rand nur noch ¼ der Restwelligkeit für die Effekte eines Burstmodus' übrig ist. Experimente ergeben, dass für eine Burstfrequenz f98 an der Stelle D = 98 % weitere 300 Hz addiert werden müssen, um die Summe der vom Burstmodus und vom Netzbrumm verursachten Restwelligkeiten W unter den dafür zulässigen Wert von bspw. 5 % zu bekommen. Deshalb muss dort, also bspw. bei D = 98 %, die Burstfrequenz f98 beispielsweise 400 Hz betragen, und bei D = 1 % genügen 100 Hz als Burstfrequenz f01 für denselben Effekt, was in Form der Endpunkte der durchgezogenen Linie an den entsprechenden Stellen des oberen Graphen der
Wegen der schon sehr kleinen Ausgangsstromwerte kommt eine LED-Last hier in den Bereich des Knies in ihrer Kennlinie. Mit Abnahme des Ausgangsstroms nimmt der differenzielle Lastwiderstand hier so stark zu und mit ihm eine Filterwirkung für den Ausgangsstrom, dass dessen Restwelligkeitswerte, die im Zuge der gesamten Beschreibung zu
Dem Unterschied zwischen f01 und f98 in der nötigen Burstfrequenz geschuldet nimmt der Abstand von Werten nahe null bei D = 1 % auf beispielsweise 300 Hz bei D = 98 % zu zwischen der durchgezogenen Linie des oberen Graphen dieser Figur, nach der die Burstfrequenzen tatsächlich einzustellen sind, und der gestrichelten Linie 22+23 für theoretisch konstante Restwelligkeit. Zwischen den Punkten A und B jedoch wird der Verlauf dieser Linie, der hier gepunktet dargestellt ist, verlassen, und stattdessen bei einer konstanten Burstfrequenz fDACH, hier bspw. bei 2,0 kHz oder besonders vorteilhaft bei nur 1.25 kHz, mittels klassischer PWM das Tastverhältnis D variiert. Punkt A liegt in diesem Beispiel bei D = 65 %, Punkt B bei 36 %. Zwischen diesen beiden Punkten entsteht aufgrund der eigentlich zu niedrigen Burstfrequenz ein ähnliches Giebeldach im unteren Graphen für die Restwelligkeit W, wie es oben durch die durchgezogene waagerechte Linie für die Burstfrequenz fDACH abgeschnitten wird. Außerhalb dieser beiden Punkte bedeuten die im unteren Graphen dargestellten Schraffuren jeweils das, was der Netzbrumm von der zulässigen Restwelligkeit W wegnimmt. Um dies auszugleichen, ist im oberen Graphen der dazu nötige Überhang bei der Burstfrequenz f eingezeichnet in Form des Abstandes zwischen durchgezogenen und gestrichelten Linien. Weil Wegnahme und Überhang linear von D abhängen, liegt im angegebenen Ansteuerverfahren der Punkt B näher bei D = ½ bzw. bei PS = 5 % als der Punkt A. Verallgemeinert ausgedrückt liegt Punkt B keinesfalls weiter entfernt von D = ½ als Punkt A.Due to the difference between f 01 and f 98 in the necessary burst frequency, the distance increases from values close to zero at D = 1% to, for example, 300 Hz at D = 98% between the solid line of the upper graph of this figure, according to which the burst frequencies actually are to be set, and the dashed
Ein weiterer Grund für die Deckelung der Brustfrequenz f auf den Wert fDACH, der mit bspw. 2,0 kHz oder 1,25 kHz deutlich unter dem Wert von fMax liegt, ist ein akustischer. Beleuchtungsobjekte tendieren dazu, auf den elektrisch in ihnen vorkommenden Frequenzen, ihren Vielfachen oder auf möglichen Subharmonischen davon auch mechanisch zu schwingen und entsprechende Störgeräusche abzugeben. Große Leuchten für große Leuchtstofflampen brummen oft mit 100 Hz. Je kleiner und kompakter die Lichtinstallationen werden wie zum Beispiel für LED-Anwendungen, desto höher wird die Frequenz, auf der sie auch mechanisch schwingen können. Mehrere kHz als mechanische Eigenresonanz sind möglich, dabei sind 3 kHz als Eigenresonanz wahrscheinlicher als 1,25 kHz. Daher ist angestrebt, mit dem Wert von fDACH immer unterhalb solcher mechanischer Eigenresonanzen zu bleiben. Das menschliche Ohr schließlich ist für Dauergeräusche auf 1,25 kHz noch weniger empfindlich als für Dauergeräusche auf höheren Frequenzen. Schließlich lassen sich mit solch relativ niedrigen Burstfrequenzen auch Stroboskopeffekte relativ sicher vermeiden in den Gebieten, die von einem LED-Modul beleuchtet werden, das von einem Betriebsgerät versorgt und gesteuert wird, dessen elektronischer Leistungswandler gemäß dem angegebenen Betriebsverfahren arbeitet.Another reason for capping the chest frequency f to the value f DACH , which at 2.0 kHz or 1.25 kHz, for example, is well below the value of f Max , is an acoustic one. Illuminated objects tend to oscillate mechanically at the frequencies that occur electrically in them, their multiples or at possible subharmonics thereof and emit corresponding noise. Large luminaires for large fluorescent lamps often hum at 100 Hz. The smaller and more compact the light installations become, such as for LED applications, the higher the frequency at which they can oscillate mechanically. Several kHz as mechanical natural resonance are possible, with 3 kHz as natural resonance being more likely than 1.25 kHz. The aim is therefore to always remain below such mechanical natural resonances with the value of f DACH . Finally, the human ear is even less sensitive to continuous noise at 1.25 kHz than to continuous noise at higher frequencies. Finally, with such relatively low burst frequencies, stroboscopic effects can also be avoided relatively reliably in the areas that are illuminated by an LED module that is supplied and controlled by an operating device whose electronic power converter works according to the specified operating method.
Am unteren Ende der Skala für die Burstfrequenzen stehen die 60 Hz ganz bewusst. Denn unterhalb dieser niedrigsten vorkommenden Burstfrequenz kann sowohl vom LED-Modul, das von einem Betriebsgerät versorgt und gesteuert wird, dessen elektronischer Leistungswandler gemäß dem angegebenen Betriebsverfahren arbeitet, als auch vom davon beleuchteten Gebiet ein unangenehmer Flicker ausgehen.The 60 Hz are deliberately at the lower end of the scale for the burst frequencies. Because below this lowest occurring burst frequency, an unpleasant flicker can emanate both from the LED module, which is supplied and controlled by an operating device whose electronic power converter works according to the specified operating method, and from the area illuminated by it.
Für
Die Welligkeit des Ausgangsstroms 47 ist an diesem Arbeitspunkt deutlich höher als am Arbeitspunkt der vorausgehenden Figur. Herkunft und Auswirkung davon sind oben bereits ausführlich beschrieben.The ripple of the output current 47 is significantly higher at this operating point than at the operating point in the previous figure. origin and end The effects of this have already been described in detail above.
Als erste Bedingung für das in
Zweitens muss jede geregelte Stromversorgung, insbesondere ein Betriebsgerät, das zur Energieversorgung und zum Betrieb von mannigfaltigen Arten von LED-Moduln eingerichtet ist, die daran angeschlossene Last kontinuierlich vermessen. Beispielsweise ist die Ausgangsspannung beim erstmaligen Anschalten oder nach sehr langer Betriebspause nicht bekannt, und dieselbe Spannung variiert stark mit der Modultemperatur. Beleuchtet das Modul bspw. eine Außenfassade im Winter und wurde gerade angeschaltet, kann die Ausgangsspannung deutlich höher liegen als nach einem Dauerbetrieb desselben Moduls im Sommer.Second, any regulated power supply, particularly an operating device that is designed to power and operate various types of LED modules, must continuously measure the load connected to it. For example, the output voltage is not known when first switched on or after a very long period of inactivity, and the same voltage varies greatly with module temperature. For example, if the module illuminates an exterior facade in winter and has just been switched on, the output voltage can be significantly higher than after continuous operation of the same module in summer.
Die Messung kann nur geschehen, solange der in der Stromversorgung arbeitende Leistungswandler auch tatsächlich Leistung wandelt und an seine Last abgibt, also nur während der Bursts, weil nur dann eine Ausgangsspannung entsteht und ein Ausgangsstrom auf seinen (Dimm-)Sollwert geregelt werden kann. Diese Vermessung muss jeweils eingeschwungen sein, um pro Burst wenigstens einen sinnvollen Wert für den aktuellen Ausgangsstrom und für die aktuelle Ausgangsspannung erhalten zu können. Denn dazwischen kann gar nichts gemessen werden, da dann jeweils (fast) nur Blindleistung vorliegt. Die kurzen Bursts mit ihrer Dauer Tmess müssen länger als 10 µs, oder bevorzugt länger als 50 µs oder wie in einem anderen Ausführungsbeispiel länger als 150 µs sein. Dies entspricht bei 160 kHz als beispielhafter Taktfrequenz 1,6 oder 8 oder 24 vollen Taktperioden, womit die erste Bedingung „mindestens eine volle Taktperiode“ jeweils eingehalten ist. Dabei müssen die Burst-Dauern Tmess nur länger als die Periodendauer einer vollständigen Leistungswandler-Taktung sein, sie müssen jedoch keine ganzzahligen Vielfachen davon betragen. Die minimal mögliche Burstlänge Tmess entspricht der konstanten tOn von oben für den Konstant-tOn-Ast 23 des Ansteuerverfahrens nach
Die Kenntnis der Ausgangsspannung und infolgedessen deren Messung sind auch deshalb wichtig, weil das angegebene Betriebsverfahren anhand unterschiedlicher Werte der Ausgangsspannung variieren kann. Insbesondere die Modusgrenze kann im Falle einer resonanten Halbbrücke als elektronischer Leistungswandler bei umso höheren Taktfrequenzen fGrenz liegen, je niedriger die momentane Ausgangsspannung VA ist. Auch die Burstfrequenz f98 oder f99 nach Überschreiten der Modusgrenze kann von der Ausgangsspannung abhängen: Je höher diese ist und infolgedessen je kleiner der Ausgangsstrom, desto tiefer kann die Burstfrequenz liegen, was ebenso der Ausnutzung einer fest vorgegebenen Zeitquantisierung (= bspw. Bitzahl für Umwandlung in Burstlängen) zugutekommt: Je geringer der Ausgangsstrom ist, desto geringer müssen auch die einzelnen Stromstufen für den gleichen Dimmeffekt sein. Je tiefer die Burstfrequenz ist, je länger also die Bursts sind, desto mehr gleichlange „Zeitquanten“ passen dort hinein, und um desto feinere Stufen kann der Ausgangsstrom verstellt werden.Knowing the output voltage, and consequently measuring it, is also important because the specified operating procedure may vary with different values of the output voltage. In particular, in the case of a resonant half-bridge as an electronic power converter, the mode limit can be at higher clock frequencies flimit , the lower the instantaneous output voltage V A is. The burst frequency f 98 or f 99 after exceeding the mode limit can also depend on the output voltage: The higher this is and consequently the smaller the output current, the lower the burst frequency can be, which also means the use of a fixed time quantization (= e.g. number of bits for conversion into burst lengths): The lower the output current, the lower the individual current levels must be for the same dimming effect. The lower the burst frequency, i.e. the longer the bursts are, the more “time quanta” of the same length fit in there, and the finer they are The output current can be adjusted in more stages.
Dazu geht das Betriebsgerät zunächst vom ungünstigsten Fall 7 in puncto Ausgangsstrom aus, und das bedeutet, dass ein Modul mit der kleinsten möglichen Ausgangsspannung, bspw. mit 15 V, angeschlossen sei, weil jeder resonante elektronische Leistungswandler dann naturgemäß am meisten Strom abgibt. Deshalb gehört zu dieser Ausgangsspannung auch die höchste Modusgrenzen-Taktfrequenz fGrenz0, auf der die Halbbrücke startet, und zugleich die höchste Burstfrequenz f01 für die unterste Dimmstellung. Mit dieser Burstfrequenz wird das kleinste mögliche Tastverhältnis D, bspw. 1 %, eingestellt. Sobald auf dem sich daraus ergebenden Start-Arbeitspunkt 8 die ersten paar Bursts mit konstanter Dauer tMess = tOn und entsprechend langen Pausen dazwischen stattgefunden haben, hat das Betriebsgerät seine aktuelle Ausgangsspannung VA gemessen.To do this, the control gear initially assumes the worst case 7 in terms of output current, which means that a module with the lowest possible output voltage, e.g. 15 V, is connected because every resonant electronic power converter then naturally delivers the most current. This output voltage therefore also includes the highest mode limit clock frequency f Grenz0 at which the half-bridge starts, and at the same time the highest burst frequency f 01 for the lowest dimming position. The smallest possible pulse duty factor D, for example 1%, is set with this burst frequency. As soon as the first few bursts with a constant duration tmeas = ton and correspondingly long pauses in between have taken place at the starting operating point 8 resulting from this, the operating device has measured its current output voltage V A .
Beträgt diese tatsächlich 15 V, bleibt alles unverändert, außer dass gemäß Dimmgeschwindigkeit einerseits und gemäß dem angegebenen Ansteuerverfahren andererseits die Burstfrequenz erst erhöht, dann auf fDACH konstant gehalten und danach wieder reduziert wird, um dadurch das Tastverhältnis D und damit den Dimmpegel kontinuierlich zu erhöhen. Wird dabei die Modusgrenze erreicht, geht der Burstmodus in den Normalmodus über. Darüber hinaus, also zu noch höheren Dimmpegeln hin, wird der elektronische Leistungswandler im betrachteten Betriebsgerät mittels seiner speziellen Steuergröße innerhalb der natürlichen Grenzen seines möglichen Arbeitsbereichs in seinem Normalmodus betrieben und gesteuert, im Falle einer resonanten Halbbrücke also mittels Reduktion ihrer Taktfrequenz. Für alle diese Steuerungen ist der grundsätzlich immer aktive Ausgangsstromregler zuständig.If this is actually 15 V, everything remains unchanged, except that the burst frequency is first increased according to the dimming speed on the one hand and according to the specified control method on the other hand, then kept constant at f DACH and then reduced again in order to continuously increase the duty cycle D and thus the dimming level . If the mode limit is reached, the burst mode changes to normal mode. In addition, i.e. towards even higher dimming levels, the electronic power converter in the operating device under consideration is operated and controlled in its normal mode within the natural limits of its possible operating range using its special control variable, i.e. in the case of a resonant half-bridge by reducing its clock frequency. The output current controller, which is always active, is responsible for all of these controls.
Wird jedoch eine höhere Ausgangsspannung gemessen, erniedrigt das betrachtete Betriebsgerät zunächst seine Modusgenzen-Taktfrequenz auf den Wert fGrenz1 und eventuell auch seine niedrigste Burstfrequenz f01 gemäß obiger Tabelle, um beides auf die neu gemessene Ausgangsspannung VA anzupassen. Dieser Vorgang 19 läuft im Hintergrund ständig ab, denn die Ausgangsspannung kann sich im Ifd. Betrieb auch ändern, bspw. durch Temperaturänderung des LED-Moduls, durch Fehlerfälle oder durch Steuerungen auf Modulebene, bspw. durch spontane Überbrückung einzelner LED. Ist die Messung der Ausgangsspannung stabil, kann das Betriebsgerät mit dem gleichen Hinaufdimmen 10 beginnen wie oben für ein VA = 15 V beschrieben, nur eben mit geänderten Startwerten incl. des angepassten Wertes für die Modusgrenzen-Taktfrequenz fGrenz1. An einem Arbeitspunkt 13 auf der Linie des besagten Modusgrenzenschnitts 6 erkennt der Ausgangsstromregler eine Burstfrequenz unterhalb des für diese Ausgangsspannung üblichen Wertes fGrenz1 und damit die Modusgrenze. Folglich wird der Burstmodus verlassen und auf der Taktfrequenz fGrenz1 in den Normalmodus der resonanten Halbbrücke übergegangen. Ab Arbeitspunkt 13 wird durch Erniedrigung der Taktfrequenz fHB der Ausgangsstrom IA soweit erhöht, bis entlang der Kennlinie 14 für die jeweilige Ausgangsspannung der gewünschte Arbeitspunkt 15 erreicht ist, der hier bspw. bei einem Ausgangsstrom IA = 200 mA liegt. Für alle dazu nötigen Steuerungen ist wie schon oben der Ausgangsstromregler zuständig, weil nur dieser einen ständigen Soll-Ist-Vergleich für den Ausgangsstrom durchführt.However, if a higher output voltage is measured, the control gear under consideration first lowers its mode limit clock frequency to the value f limit1 and possibly also its lowest burst frequency f 01 according to the table above, in order to adapt both to the newly measured output voltage V A . This
Der Charme dieses Vorgehens liegt erstens in der oben schon beschriebenen besonders guten Ausnutzung digitaler Regelprozessoren, wodurch mit relativ wenig Aufwand große Leistungsbereiche möglich werden, und zweitens in einer verbesserten Ausnutzung der natürlichen Grenzen des möglichen Arbeitsbereichs eines resonanten Leistungswandlers mit einem komplexeren Resonanzsystem.The charm of this approach lies firstly in the above-described particularly good utilization of digital control processors, which makes large power ranges possible with relatively little effort, and secondly in improved utilization of the natural limits of the possible working range of a resonant power converter with a more complex resonance system.
Bei den Eintakt-Leistungswandlern im CRM, TCM oder Valley-Detect-Modus als ihrem häufigsten Normalmodus, der die Grenze zwischen Continuous Conduction Mode (CCM) und Discontinuous Conduction Mode (DCM) markiert, gilt genau wegen dieser Grenzlage der Sonderfall, dass deren Taktfrequenz ein Maß für den momentan übertragenen Strom ist (vom DCM herkommend), und dass gleichzeitig das innere Tastverhältnis dieser Taktfrequenz ein Maß für deren Spannungsübersetzung ist (vom CCM herkommend). Dabei ist die Ausgangsspannung umso höher, je höher dieses innere Tastverhältnis ist, und der übertragene Strom umso höher, je niedriger die Taktfrequenz ist. Wie schon zur Herleitung der
Analog dazu kann auch die Modusgrenzen-Taktfrequenz fGrenz, die ja gleichzeitig die Maximalfrequenz für den Normalmodus darstellt und daher einem tOnMin nahekommt, für resonante Halbbrücken, die als elektronische Leistungswandler in Betriebsgeräten für LED arbeiten, für alle Ausgangsspannungen als konstant festgelegt sein. Im untersuchten Beispiel ist fGrenz auf einen Wert von 166,5 kHz fixiert, und das innere Tastverhältnis ist hier generell für beide beteiligten Leistungstransistoren etwas kleiner als ½ wie für resonante Halbbrücken in den allermeisten Fällen üblich. Auch kann die minimale Burstfrequenz f01 konstant sein und unabhängig von der momentanen Ausgangsspannung VA beispielsweise 100 Hz betragen. Dadurch steht der Modusgrenzenschnitt 16 senkrecht in
Weil die spezielle Steuergröße diesseits der Modusgrenze, also im Normalmodus, meistens wobbelt, um beispielsweise den Netzbrumm zu kompensieren, jenseits der Modusgrenze für den Burstbetrieb jedoch starr ist, sollte die Modusgrenze eine Hysterese (nicht dargestellt) umfassen, also aus zwei nahe benachbarten oder sogar parallelen Grenzlinien bestehen, die ihre Modusänderungen richtungsabhängig und gegenläufig verursachen. Sinnvollerweise liegt eine erste Grenzlinie, an der vom Normalmodus in den Burstmodus übergegangen wird, bei kürzeren tOn bzw. bei höheren fGrenz als eine zweite Grenzlinie, an der vom Burstmodus wieder in den Normalmodus zurückgewechselt wird. Der Abstand zwischen diesen beiden Grenzlinien entspricht sinnvollerweise dem maximal möglichen Wobbel der speziellen Steuergröße für den jeweiligen Normalmodus. Auf diese Weise wird wirkungsvoll vermieden, dass ein elektronischer Leistungswandler periodisch - bspw. in doppelter Versorgungsnetzfrequenz - zwischen seinen beiden Modi hin- und herspringen muss.Because the special control variable on this side of the mode limit, i.e. in normal mode, mostly wobbles, for example to compensate for mains hum, but is rigid beyond the mode limit for burst operation, the mode limit should include a hysteresis (not shown), i.e. from two closely adjacent or even parallel boundary lines that cause their mode changes to be directional and counter-current. It makes sense for a first boundary line, at which there is a transition from normal mode to burst mode, to be at shorter t on or at higher f limit than a second boundary line at which there is a change back from burst mode to normal mode. The distance between these two boundary lines sensibly corresponds to the maximum possible wobble of the special control variable for the respective normal mode. In this way, it is effectively avoided that an electronic power converter has to jump back and forth between its two modes periodically—for example, at twice the supply network frequency.
BezugszeichenlisteReference List
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- natürliche Grenze „links unten“, also für kleine Ausgangsströme und kleine Ausgangsspannungen, eines möglichen Arbeitsbereichs für einen getakteten elektronischen Leistungswandler in günstiger Formnatural limit "bottom left", i.e. for small output currents and small output voltages, of a possible working range for a clocked electronic power converter in a favorable form
- 1'1'
- selbiges in ungünstiger Formthe same in an unfavorable form
- 22
- selbiges für eine resonante Halbbrücke als getakteten LLCC-Leistungswandlerthe same for a resonant half-bridge as a switched LLCC power converter
- 33
- selbiges wie 2 für eine vergrößerte Resonanzkapazität innerhalb des LLCC-Leistungswandlerssame as FIG. 2 for increased resonant capacitance within the LLCC power converter
- 44
- obere natürliche Grenze des möglichen Arbeitsbereichs bei hohen Ausgangsspannungen und mittleren bis kleinen Ausgangsströmen für eine vergrößerte Resonanzkapazität innerhalb des LLCC-Leistungswandlersupper natural limit of the possible working range at high output voltages and medium to low output currents for an increased resonant capacitance within the LLCC power converter
- 55
- Teil eines geforderten Arbeitsbereichs, der von keinem der möglichen Arbeitsbereiche umfasst istPart of a required work area that is not covered by any of the possible work areas
- 66
- Modusgrenzenschnitt allgemeinMode boundary cut general
- 1616
- Modusgrenzenschnitt bei konstanter fGrenz Mode limit cut at constant f limit
- 77
- Einstiegs-Arbeitspunkt allgemeinEntry working point in general
- 1717
- Einstiegs-Arbeitspunkt bei konstanter fGrenz Entry operating point at constant f limit
- 88th
- Ermittlung der allgemeinen Einstiegs-Modusgrenzfrequenz fGrenz0 Determination of the general entry mode limit frequency f limit0
- 99
- Meßsignal für den Eingangsstrom einer resonanten HalbbrückeMeasuring signal for the input current of a resonant half-bridge
- 1010
- Hinaufdimmen im Burstmodus laut angegebenem AnsteuerverfahrenDimming up in burst mode according to the specified control method
- 1111
- linke natürliche Grenze eines möglichen Arbeitsbereichs bei kleinen Ausgangsströmen für einen Tiefsetzsteller im CRM oder TCMleft natural limit of a possible working range with small output currents for a step-down converter in the CRM or TCM
- 1212
- linke natürliche Grenze eines möglichen Arbeitsbereichs bei kleinen Ausgangsströmen für einen der vier hoch- und tiefsetzenden Eintakt-Leistungswandler im CRM oder TCMleft natural limit of a possible working range with small output currents for one of the four step-up and step-down single-ended power converters in the CRM or TCM
- 1313
- Arbeitspunkt auf der Modusgrenze bei vorliegender AusgangsspannungOperating point on the mode limit when the output voltage is present
- 1414
- Hinaufdimmen im NormalmodusDim up in normal mode
- 1515
- Zielarbeitspunkttarget operating point
- 1919
- Ifd. Anpassung von fGrenz (und f01) anhand der aktuellen AusgangsspannungIfd. Adjustment of f limit (and f 01 ) based on the current output voltage
- 2020
- Parabel der tiefsten möglichen Frequenzen für gleichmäßige Restwelligkeit bei unterschiedlichen TastverhältnissenParabola of the lowest possible frequencies for uniform residual ripple with different duty cycles
- 2121
- Logiksignal gemäß angegebenem AnsteuerverfahrenLogic signal according to specified control method
- 2222
- Konstant-toff-Ast des angegebenen AnsteuerverfahrensConstant toff branch of the specified control method
- 2323
- Konstant-tOn-Ast des angegebenen AnsteuerverfahrensConstant t On -Ast of the specified control method
- 4646
- Ausgangsstrom des Gleichrichters des getakteten elektronischen LeistungswandlersOutput current of the rectifier of the switched-mode electronic power converter
- 4747
- Ausgangsstrom IA des gesamten elektronischen Leistungswandlers geeignet als LED-BetriebsstromOutput current I A of the entire electronic power converter suitable as LED operating current
Alle durch Buchstaben, indiziert oder auch nicht, gekennzeichneten Größen oder Bezüge sind hier nicht aufgeführt.Any sizes or references identified by letters, indexed or not, are not listed here.
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- US 8379422 B2 [0020]US 8379422 B2 [0020]
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- US 63032468 [0061]US63032468 [0061]
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