DE19928907A1

DE19928907A1 - Steuerschaltung

Info

Publication number: DE19928907A1
Application number: DE19928907A
Authority: DE
Inventors: Horst Flock; Ignaz Fortmeier
Original assignee: Stribel GmbH
Current assignee: AFL GERMANY ELECTRONICS GMBH, 72636 FRICKENHAUSEN,
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2000-12-28

Abstract

Um eine Steuerschaltung zum leistungsgesteuerten Betreiben einer Last, umfassend einen in einem Laststromkreis wirksamen Halbleiterschalter und eine Ansteuerung für den Halbleiterschalter, welche zur Steuerung desselben in einem Teillastbereich ein Steuersignal, umfassend aufeinanderfolgende und durch Pulspausen getrennte Ansteuerpulse, erzeugt, derart zu verbessern, daß die Wärmeerzeugung möglichst gering ist, wird vorgeschlagen, daß das Steuersignal in einem oberen Teillastbereich ein erstes Pulssignal mit mit einer ersten Pulsfrequenz aufeinanderfolgenden ersten Einzelpulsen sowie in den Pulspausen des ersten Pulssignals ein zweites Pulssignal mit mit einer zweiten Frequenz aufeinanderfolgenden zweiten Einzelpulsen erzeugt und daß die zweite Frequenz mindestens um einen Faktor 10 größer als die erste Frequenz ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zum leistungs gesteuerten Betreiben einer Last, umfassend einen in einem Laststromkreis wirksamen Halbleiterschalter und eine An steuerung für den Halbleiterschalter, welche zur Steuerung desselben in einem Teillastbereich ein Steuersignal, um fassend aufeinanderfolgende und durch Pulspausen getrennte Ansteuerpulse, erzeugt.

Eine derartige Steuerschaltung ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 197 02 949 A1 bekannt.

Bei einer derartigen Steuerschaltung wird ein Steuersignal erzeugt, welches Ansteuerpulse aufweist, die in einer defi nierten Frequenz aufeinanderfolgen und zum Steuern der Last pulsweitenmoduliert sind.

Da bekanntermaßen das aufgrund der Ansteuerpulse erfolgende Aus- und Einschalten der Last, insbesondere bei einer induk tiven Last mit Freilaufelement, d. h. beispielsweise Frei laufhalbleiterbauteil, zu erhöhten Verlusten und insbesondere einer verstärkten Wärmeerzeugung führt, ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, eine Steuerschaltung der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß die Wärme erzeugung möglichst gering ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Steuerschaltung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Steuersignal in einem oberen Teillastbereich ein erstes Puls signal mit mit einer ersten Pulsfrequenz aufeinanderfolgenden ersten Einzelpulsen sowie in den Pulspausen des ersten Puls signals ein zweites Pulssignal mit mit einer zweiten Frequenz aufeinanderfolgenden zweiten Einzelpulsen erzeugt und daß die zweite Frequenz mindestens um einen Faktor 10 größer als die erste Frequenz ist.

Der Kern der vorliegenden Erfindung ist somit darin zu sehen, einerseits die Last, d. h. beispielsweise einen als induktive Last wirkenden Motor, durch das erste Pulssignal mit niedri ger Frequenz so anzusteuern, daß durch dieses Pulssignal mög lichst viel Leistung bei möglichst wenig Ein- und Ausschalt vorgängen der Last zugeführt werden kann, andererseits aber in den durch die niedrige Frequenz des ersten Pulssignals bedingten langen Pausen zwischen den Einzelpulsen mit dem zweiten Pulssignal mit hoher Frequenz ebenfalls noch Leistung zuzuführen, um die Nachteile des ausschließlichen Betreibens der Last mit nur dem ersten Pulssignal mit niedriger Frequenz zu vermeiden, wobei sich diese Nachteile insbesondere in einer mechanischen Geräuschentwicklung oder dem Entstehen mechanischer Resonanzen zeigen.

Hinsichtlich der Steuerung der Leistung, die der Last zu geführt werden soll, bestehen dabei die unterschiedlichsten Möglichkeiten. Eine Möglichkeit wäre die, die Frequenz des zweiten Pulssignals oder gegebenenfalls auch des ersten Puls signals zu ändern.

Da vorzugsweise jedoch beim gepulsten Betrieb einer Last zur Vermeidung von peripheren Störungseinflüssen mit definierten feststehenden Frequenzen gearbeitet wird, ist vorzugsweise vorgesehen, daß in dem oberen Teillastbereich mindestens eines der ersten und zweiten Pulssignale zur Leistungs steuerung pulsweitenmodulierbar ist, d. h., daß über die Variation der Pulsweite bei feststehender Frequenz des jeweiligen Pulssignals die der Last zugeführte Leistung gesteuert werden kann.

Besonders günstig ist es bei der erfindungsgemäßen Lösung, wenn in dem oberen Teillastbereich beide Pulssignale puls weitenmodulierbar sind, so daß durch inkrementelle Ver stellung der Pulsweite beider Pulssignale die gewünschte Präzision der Steuerung durch die Einstellung der Pulsweite desjenigen Pulssignals erreicht werden kann, dessen Inkre mente die kleineren sind. Vorzugsweise ist dies das zweite Pulssignal, wobei mit dem zweiten Pulssignal auch eine Zu nahme der Pulsweite des ersten Pulssignals durch abnehmende Pulsweite des zweiten Pulssignals reduzierbar ist.

Bei einer besonders einfach arbeitenden Steuerschaltung ist vorzugsweise vorgesehen, daß im oberen Teillastbereich nur eines der Pulssignale pulsweitenmodulierbar ist.

In diesem Fall ist eine besonders präzise Leistungssteuerung dadurch durchführbar, daß der obere Teillastbereich in einen höchsten oberen Teillastbereich und einen normalen oberen Teillastbereich unterteilbar ist und daß in dem normalen oberen Teillastbereich die Einzelpulse des ersten Pulssignals pulsweitenmodulierbar sind und daß in dem höchsten oberen Teillastbereich die Einzelpulse des zweiten Pulssignals puls weitenmodulierbar sind.

Insbesondere bei einer möglichst einfach arbeitenden Aus führungsform ist dabei vorgesehen, daß in dem normalen oberen Teillastbereich die Pulsweite der Einzelpulse des zweiten Pulssignals konstant ist und vorzugsweise in dem höchsten oberen Teillastbereich die Pulsweite der Einzelpulse des ersten Pulssignals konstant ist.

Beispielsweise wäre es denkbar, im Rahmen der erfindungs gemäßen Lösung, auch außerhalb des oberen Teillastbereichs mit einem Steuersignal zu arbeiten, das das erste Pulssignal und in den Pulspausen desselben das zweite Pulssignal zeigt.

Aus Gründen der Einfachheit der Steuerung und der ausreichen den Präzision ist es jedoch besonders günstig, wenn in einem unterhalb des oberen Teillastbereichs liegenden Teillast bereich das Steuersignal ein drittes Pulssignal mit einer dritten Frequenz umfaßt, die größer als die erste Frequenz ist, so daß die Einzelpulse des dritten Pulssignals in ent sprechend geringen Zeitintervallen aufeinanderfolgen.

Vorzugsweise sollte dabei die dritte Frequenz in derselben Größenordnung liegen wie die zweite Frequenz, so daß sowohl die zweite Frequenz als auch die dritte Frequenz deutlich über der ersten Frequenz liegen, um in dem unteren Teillast bereich eine möglichst geräuschfreie und resonanzfreie An steuerung der Last vornehmen zu können.

Eine aufgrund der Einfachheit besonders günstige Lösung sieht vor, daß die dritte Frequenz und die zweite Frequenz ungefähr gleich groß sind, so daß also sowohl im unteren Teillast bereich als auch im oberen Teillastbereich die vorteilhaften Steuereigenschaften eines Pulssignals mit relativ hoher Puls frequenz ausgenützt werden können.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß die dritte Frequenz mit der zweiten Frequenz identisch ist, sodaß letztlich sowohl zum Betreiben der Last im unteren Teillast bereich als auch zum Betreiben der Last im oberen Teillast bereich stets mit derselben Frequenz gearbeitet werden kann und beim Übergang vom unteren Teillastbereich zum oberen Teillastbereich lediglich das zweite Pulssignal hinzu kommt.

Zur Leistungssteuerung im unteren Teillastbereich ist dabei das dritte Pulssignal vorzugsweise ebenfalls pulsweiten modulierbar.

Der Übergang von dem unteren Teillastbereich in den oberen Teillastbereich kann prinzipiell bei beliebigen Werten der Teillast liegen. Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, daß der Übergang von dem unteren Teillastbereich in den oberen Teillastbereich bei Teillastwerten zwischen ungefähr 20% und ungefähr 50%, jeweils bezogen auf Vollast, erfolgt.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß der Übergang von dem unteren Teillastbereich in den oberen Teillastbereich bei Teillastwerten von ungefähr 30% bis ungefähr 40% er folgt.

Hinsichtlich der Unterschiede der zweiten Frequenz und der dritten Frequenz gegenüber der ersten Frequenz ist es - wie bereits ausgeführt - prinzipiell ausreichend, daß diese mindestens einen Faktor 10 betragen. Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Frequenzunterschiede bei einem Faktor in der Größenordnung von 30 oder mehr, vorzugsweise in der Größen ordnung von 100 oder mehr, liegen.

Prinzipiell wäre es möglich, in dem Teillastbereich unterhalb der vollen Ansteuerung der Last mit weiteren Teillast bereichen, beispielsweise auch zwischen dem unteren Teillast bereich und dem oberen Teillastbereich, zu arbeiten. Aus Gründen der Einfachheit hat es sich jedoch als günstig er wiesen, wenn der obere Teillastbereich sich unmittelbar an den unteren Teillastbereich anschließt.

Darüber hinaus wäre es noch denkbar, außerhalb des unteren und des oberen Teillastbereichs zusätzliche Teillastbereiche vorzusehen, in denen eine anders geartete Ansteuerung der Teillast erfolgen kann.

Besonders günstig ist es jedoch, wenn der untere Teillast bereich und der obere Teillastbereich den gesamten Teillast bereich bis zur Vollast abdecken.

Hinsichtlich der Erzeugung der Steuersignale im Fall einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung wurden keine näheren An gaben gemacht, insbesondere keine näheren Angaben zum Aufbau der Ansteuerung. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß die Ansteuerung einen Pulsgenerator und eine Pulsformerstufe aufweist, wobei der Pulsgenerator insbesondere ein im wesent lichen Rechteckpulse erzeugender Pulsgenerator sein kann, und die Pulsformerstufe dann beispielsweise die Flanken der Rechteckpulse derart formt, daß ausreichend lange Steuer zeiten für den Betrieb der Last, insbesondere einer indukti ven Last mit Freilaufdiode, zur Verfügung stehen.

Besonders günstig ist es dabei, wenn die Pulsformerstufe aus den Rechteckpulsen im wesentlichen in den Flanken zeitlich verzögerte Anstiegs- und Abfallzeiten erzeugt.

Beispielsweise lassen sich derartige zeitlich verzögerte An stiegs- und Abfallzeiten durch RC-Glieder der Pulsformerstufe erzeugen.

Hinsichtlich der Erzeugung des ersten Pulssignals und des in den Pulspausen des ersten Pulssignals auftretenden zweiten Pulssignals wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, daß das erste Pulssignal und das zweite Pulssignal als fortlaufende Einzel pulse aufweisende Pulssignalzüge mit konstanter Frequenz erzeugbar sind und daß aus den Pulssignalzügen durch ODER- Verknüpfung das Steuersignal für den oberen Teillastbereich entsteht.

Eine derartige Erzeugung des Steuersignals kann auch dann beibehalten werden, wenn das Steuersignal für den unteren Teillastbereich erzeugt werden soll. In diesem Fall wird der Einfachheit halber die Pulsweite des ersten Pulssignals auf im wesentlichen 0 reduziert.

Darüber hinaus wird die eingangs genannte Aufgabe auch durch ein Verfahren zum leistungsgesteuerten Betreiben einer Last mittels einer Steuerschaltung, umfassend einen in einem Last stromkreis wirksamen Halbleiterschalter und eine Ansteuerung für den Halbleiterschalter, welche zur Steuerung desselben in einem Teillastbereich ein Steuersignal umfassend aufeinander folgende und durch Pulspausen getrennte Ansteuerpulse er zeugt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem oberen Teillastbereich das Steuersignal so erzeugt wird, daß es ein erstes Pulssignal mit mit einer Pulsfrequenz aufeinander folgenden Einzelpulsen sowie in den Pulspausen des ersten Pulssignals ein zweites Pulssignal mit mit einer zweiten Frequenz aufeinanderfolgenden Einzelpulsen aufweist und daß die zweite Frequenz mindestens um einen Faktor 10 größer als die erste Frequenz ist.

Besonders günstig ist es dabei, wenn in dem oberen Teillast bereich die Leistungssteuerung durch Pulsweitenmodulation mindestens eines der ersten und zweiten Pulssignale durch geführt wird, wobei vorzugsweise die Frequenz des ersten Pulssignals und des zweiten Pulssignals konstant gehalten wird.

Eine hinsichtlich der Variationsmöglichkeit besonders günstige Lösung sieht dabei vor, daß zur Leistungssteuerung die Pulsweite beider Pulssignale moduliert wird.

Aus Gründen der Einfachheit ist es jedoch günstig, wenn nur die Pulsweite eines der Pulssignale moduliert wird, während das andere der Pulssignale konstant gehalten wird.

Ferner ist es für eine besonders präzise Steuerung von Vor teil, wenn der obere Teillastbereich in einen höchsten oberen Teillastbereich und einen normalen oberen Teillastbereich aufgeteilt wird.

Vorzugsweise wird in dem normalen oberen Teillastbereich das erste Pulssignal hinsichtlich der Pulsweite zur Leistungs steuerung moduliert, während in dem höchsten oberen Teillast bereich das zweite Pulssignal zur Steuerung der Leistung moduliert wird.

Der Einfachheit halber bleibt das jeweils andere Pulssignal dabei hinsichtlich seiner Pulsweite konstant.

Darüber hinaus ist es zur Steuerung der Leistung außerhalb des oberen Teillastbereichs von Vorteil, wenn unterhalb des oberen Teillastbereichs ein Steuersignal erzeugt wird, welches ein drittes Pulssignal mit einer dritten Frequenz umfaßt, die größer ist als die erste Frequenz.

Dabei ist vorzugsweise die dritte Frequenz ebenfalls so gewählt, daß sie in derselben Größenordnung wie die zweite Frequenz liegt.

Aus Gründen der Einfachheit ist es jedoch besonders günstig, wenn die dritte Frequenz mit der zweiten Frequenz identisch ist.

Ferner ist es zur Leistungssteuerung in dem unteren Teillast bereich ebenfalls von Vorteil, wenn das dritte Pulssignal hinsichtlich seiner Pulsweite moduliert wird, wobei insbe sondere die Frequenz, mit welcher die Einzelpulse aufein anderfolgen, beim dritten Pulssignal ebenfalls konstant ge halten wird.

Hinsichtlich der Lage des oberen Teillastbereichs und des unteren Teillastbereichs relativ zueinander wurden bislang ebenfalls keine spezifischen Angaben gemacht. Beispielsweise könnten der obere Teillastbereich und der untere Teillast bereich noch voneinander getrennt sein. Besonders günstig ist es jedoch, wenn der obere Teillastbereich unmittelbar an den unteren Teillastbereich anschließt.

Ferner ist vorzugsweise aus Gründen der Einfachheit vorge sehen, daß der untere Teillastbereich und der obere Teillast bereich den gesamten Teillastbereich bis zur Vollast ab decken.

Um bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Steuersignal möglichst einfach erzeugen zu können, ist vorzugsweise vor gesehen, daß das erste Pulssignal und zweite Pulssignal als fortlaufende Pulssignalzüge mit konstanter Frequenz erzeugt werden und durch ODER-Verknüpfung aus den beiden Pulssignal zügen das Steuersignal im oberen Teillastbereich erzeugt wird.

In gleicher Weise besteht auch die Möglichkeit, im unteren Teillastbereich das Steuersignal zu erzeugen, wobei die Puls weite dabei im wesentlichen auf 0 gehalten wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar stellung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Aufteilung des Teillastbereichs in einen unteren Teillast bereich und einen oberen Teillastbereich;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Erzeugung eines Pulssteuersignals im Rahmen der er findungsgemäßen Lösung aus einem ersten Puls signalzug und einem zweiten Pulssignalzug durch ODER-Verknüpfung;

Fig. 4 eine exemplarische Darstellung des Steuersignals bei verschiedenen Teillastwerten im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Aufteilung des oberen Teillastbereichs in einen normalen oberen Teillastbereich und einen höchsten oberen Teil lastbereich;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels, bei welcher stets lediglich eines der Pulssignale pulsweiten moduliert wird, während das andere nicht puls weitenmoduliert wird;

Fig. 7 eine schematische Darstellung der erfindungs gemäß möglichen Reduzierung der erzeugten Wärme;

Fig. 8 eine Darstellung eines tatsächlichen Steuer signals mit dem entsprechenden über eine induk tive Last fließenden Strom bei geringer Puls weite des ersten Pulssignals und

Fig. 9 eine Darstellung eines tatsächlichen Steuer signals mit großer Pulsweite und dementsprechen den Strom durch eine induktive Last mit Frei laufdiode.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuer schaltung, dargestellt in Fig. 1, umfaßt einen Laststromkreis 10, welcher zwischen einer positiven Speisespannung U_batt und Masse verläuft und in welchem ein als Ganzes mit 12 bezeich neter Halbleiterschalter angeordnet ist, welcher beispiels weise als MOSFET ausgebildet ist, wobei ein Drain-Anschluß D mit der positiven Speisespannung U_batt verbunden ist, ein Gate-Anschluß G zum Ansteuern vorgesehen ist und ein Source- Anschluß mit einer Last 14, beispielsweise einer induktiven Last in Form insbesondere eines Motors, verbunden ist. Dieser induktiven Last 14 ist ferner eine Freilaufdiode 16 parallel geschaltet, so daß die Last 14 und die parallelgeschaltete Freilaufdiode 16 einerseits mit dem Source-Anschluß S des Halbleiterschalters 12 verbunden sind und andererseits auf Masse liegen.

Zum Ansteuern des Halbleiterschalters 12 ist im Fall des MOSFET-Halbleiterschalters der Gate-Anschluß G mit einer Ansteuerung 20 verbunden, die ein dem Gate-Anschluß G zu geführtes Steuersignal S erzeugt, das aufeinanderfolgende und durch Pulspausen getrennte Ansteuerpulse umfaßt. Dieses Steuersignal S wird durch einen Pulsgenerator 22 und eine nachfolgende Pulsformerstufe 24 erzeugt, wobei der Puls generator 22 Rechteckpulse generiert, deren Flankensteilheit durch die Pulsformerstufe 24 festgelegt wird, beispielsweise derart, daß die Anstiegs- und Abstiegsflanken ausreichend lange verzögert sind, um der Freilaufdiode 16 ausreichend Zeit zum Einschalten bzw. Ausschalten zu geben.

Vorzugsweise umfaßt der Pulsgenerator 22 ein ODER-Gatter 26, zwei Pulssignalgeneratoren 28 und 30 und einen Steuerrechner 32, welcher die Pulssignalgeneratoren 28 und 30 ansteuert, so daß diese ihrerseits Pulssignalzüge P₁ bzw. P₂ erzeugen, welche in dem Addierglied 26 zu einem Pulssteuersignal PS addiert werden.

Der Steuerrechner 32 erhält über ein Eingangssignal E die Information darüber, mit welcher Leistung die Last 14 be trieben werden soll.

Intern wird, wie in Fig. 2 dargestellt, in dem Steuerrechner ausgehend von dem Eingangssignal E differenziert zwischen einem unteren Teillastbereich UT und einem oberen Teillast bereich OT, wobei vorzugsweise der untere Teillastbereich UT bei einer Leistungseinspeisung von 0% bezogen auf Vollast beginnt und im Teillastbereich T bis zu einer Teillast von beispielsweise 40% bezogen auf Vollast reicht. Unmittelbar daran schließt sich dann der obere Teillastbereich OT an, welcher bis zur vollen Leistung V, d. h. der Leistung von 100% reicht, so daß der gesamte Teillastbereich T sich lückenlos aus dem unteren Teillastbereich und dem oberen Teillastbereich ergibt.

Es ist aber auch denkbar, den Teillastbereich so zu wählen, daß dieser weder bei 0% beginnt noch bei 100% endet, sondern zwischen diesen Werten liegt.

Ergibt sich aus dem Eingangssignal E, daß die Last 14 im oberen Teillastbereich OT betrieben werden soll, so steuert der Steuerrechner 32 den ersten Pulssignalgenerator 28 derart an, daß dieser einen Pulssignalzug P₁ mit einer ersten Frequenz f₁ erzeugt, dessen Einzelpulse PE₁ jeweils nach Zeitintervallen Δt₁ starten, die der Frequenz f₁ entsprechen.

Diese Einzelpulse PE₁ haben dabei eine Pulsweite PW₁, welche durch den Steuerrechner 32 einstellbar ist, während die Frequenz f₁ der Einfachheit halber nicht einstellbar ist, sondern fest dem ersten Pulssignalgenerator 28 vorgebbar ist.

Die Einstellung der Pulsweite PW₁ erfolgt, wie nachher im einzelnen dargelegt, entsprechend der an der Last gewünschten Leistung.

Ferner steuert der Steuerrechner 32 den zweiten Pulssignal- generator 30 an, welcher einen zweiten Pulssignalzug P₂, ebenfalls dargestellt in Fig. 3, erzeugt, wobei der zweite Pulssignalzug P₂ Einzelpulse erzeugt, die mit einer zweiten Frequenz f₂ aufeinanderfolgen und somit in einem Zeitinter vall Δt₂ entsprechend dieser zweiten Frequenz f₂ aufeinander folgend erzeugt werden.

Dabei beträgt die Frequenz f₂ mindestens das Zehnfache der Frequenz f₁, vorzugsweise werden bei der Frequenz f₂ Frequen zen in der Größenordnung von 10 kHz oder mehreren 10 kHz gewählt, während die Frequenzen f₁ in der Größenordnung von einigen 100 Hz liegen, so daß vorzugsweise die Frequenz f₂ größenordnungsmäßig das Einhundertfache der Frequenz f₁ beträgt.

Auch die Pulsweite PW₂ der Einzelpulse PE₂ des zweiten Puls signalgenerators 30 ist durch den Steuerrechner 32 einstell bar, während die Frequenz des zweiten Pulssignalgenerators üblicherweise ebenfalls fest vorgegeben ist.

Wie in Fig. 3 dargestellt, werden nun die beiden Pulssignal züge P₁ und P₂ durch das Addierglied 26 oder ODER-Gatter mit einander so verknüpft, daß als Ergebnis ein Pulssteuersignal PS entsteht, das die logische ODER-Verknüpfung beider Puls signalzüge P₁ und P₂ darstellt, so daß das Pulssteuersignal PS einmal die Einzelpulse PE₁ des ersten Pulssignalzuges P₁ zeigt, da während der Zeit, während der die Einzelpulse PE₁ vorliegen, die Existenz der Einzelpulse PE₂ des zweiten Puls signalzuges P₂ unerheblich ist, insbesondere dann, wenn die Einzelpulse PE₁ eine größere Pulsweite PW₁ aufweisen als die Einzelpulse PE₂ des zweiten Pulssignalzuges.

Während der Pulspausen PP zwischen den Einzelpulsen PE₁ des ersten Pulssignalzuges P₁ treten dann jedoch in dem Puls steuersignal PS die Einzelpulse PE₂ des zweiten Pulssignal zuges P₂ auf.

Da vorzugsweise die Pulsweiten PW₁ der Einzelpulse PE₁ des ersten Pulssignalzuges P₁ in der Regel größer sind als die Pulsweiten PW₂ der Einzelpulse PE₂ des zweiten Pulssignalzugs P₂, erfolgt jeweils bei Auftreten der Einzelpulse PE₁ in dem Pulssteuersignal PS ein längeres Durchschalten des Halb leiterschalters 12 im Vergleich zum Durchschalten des Halb leiterschalters 12 beim Auftreten eines Einzelpulses PE₂ aus dem zweiten Pulssignalzug P₂ während der Pulspausen PP zwischen den Einzelpulsen PE₁ des ersten Pulssignalzugs P₁.

In dem oberen Teillastbereich OT besteht nunmehr die Möglich keit, die der Last 14 zugeführte Leistung dadurch zu steuern, daß entweder die Pulsweite PW₁ der Einzelpulse PE₁ des ersten Pulssignalzuges P₁ oder die Pulsweite PW₂ der Einzelpulse PE₂ des zweiten Pulssignalzuges P₂ oder die Pulsweiten PW₁ und PW₂ beider Pulssignalzüge P₁ und P₂ variiert werden, so daß die der Last 14 zuzuführende Leistung beliebig fein und präzise einstellbar ist.

Vorzugsweise wird jedoch im oberen Teillastbereich OT so gearbeitet, daß die Pulsweite PW₂ der Einzelpulse PE₂ des zweiten Pulssignalzuges P₂ möglichst klein gehalten wird, im Gegensatz zu einer möglichst großen Pulsweite PW₁ der Einzel pulse PE₁ des ersten Pulssignalzuges P₁, da mit steigender Pulsweite PW₁ der Einzelpulse PE₁ des ersten Pulssignalzuges die Zahl der Ein- und Ausschaltvorgänge reduziert werden kann, wenn sich die Pulsweite PW₁ über mindestens ein Inter vall Δt₂ des zweiten Pulssignalzuges P₂ erstreckt und mit zunehmender Pulsweite PW₁ der Einzelpulse PE₁ des ersten Pulssignalzuges P₁insgesamt die Zahl der Ein- und Ausschalt vorgänge pro Zeiteinheit abnimmt, da innerhalb des Zeitinter valls Δt₁ für eine immer größere Dauer die Last 14 aufgrund des Durchsteuerns des Halbleiterschalters 12 dauergespeist ist.

Dagegen wird vorzugsweise im unteren Teillastbereich UT nur das Pulssteuersignal PS basierend auf dem zweiten Pulssignal zug P₂ mit variabler Pulsweite PW₂ erzeugt.

Eine derartige Art der Leistungssteuerung der Last 14 ist exemplarisch in Fig. 4 an mehreren Stellen des Teillast bereichs T angegeben.

So ist beispielsweise in Fig. 4a bei einem Teillastbereich von 25% bezogen auf Vollast die Pulsweite PW₂ so gewählt, daß sie einem Viertel des Zeitintervalls Δt₂ entspricht, das zwischen dem Anfang zweier aufeinanderfolgender Einzelpulse PE₂ des zweiten Pulssignalzuges liegt. Soll, wie in Fig. 4b dargestellt, mit einer Teillast von 40% gearbeitet werden, so ist die Pulsweite PW₂' des Pulssteuersignals, das immer noch aus Einzelpulsen PE₂ des zweiten Pulssignalzuges P₂ zusammengesetzt ist, vergrößert.

Wird nun, wie in Fig. 4c dargestellt, vom unteren Teillast bereich in den oberen Teillastbereich übergegangen, der bei spielsweise bei ungefähr 40% beginnt, so zeigt das Puls steuersignal PS, wie in Fig. 4c exemplarisch dargestellt, einerseits die Einzelpulse PE₂ mit der Pulsweite PW₂ des zweiten Pulssignalzuges P₂, jedoch zusätzlich die Einzelpulse PE₁ mit der Pulsweite PW₁ des ersten Pulssignalzuges P₁, wobei die Einzelpulse PE₂ des zweiten Pulssignalzuges P₂ nur in den Pulspausen PP zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen PE₁ des ersten Pulssignalzuges P₁ auftreten.

In dem oberen Teillastbereich OT kann somit bei Erhöhung der der Last 14 zur Verfügung zu stellenden Leistung sowohl die Pulsweite PW₂ des zweiten Pulssignalzuges P₂ als auch die Pulsweite PW₁ des ersten Pulssignalzuges P₁ gesteuert werden. Vorzugsweise wird die Pulsweite PW₁ der Einzelpulse PE₁ des ersten Pulssignalzuges mit zunehmender der Last 14 zur Ver fügung gestellter Leistung vergrößert, während eine Variation der Pulsweite PW₂ der Einzelpulse PE₂ des zweiten Pulssignal zuges nur zur möglichst feinstufigen Leistungseinstellung erfolgt.

Die Steigerung der Pulsweite PW₁ der Einzelpulse PE₁ des ersten Pulssignalzuges kann so weit erfolgen, daß in der Pulspause PP zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen PE₁ nur noch einer oder einige wenige Einzelpulse PE₂ auftreten.

Um nahe der vollen Leistung möglichst präzise steuern zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, daß im Bereich nahe Vollast im wesentlichen die Leistungssteuerung durch Ein stellung der Pulsweite PW₂ der Einzelpulse PE₂ des zweiten Pulssignalzuges erfolgt.

Um insbesondere nahe des Vollastbereichs möglichst präzise die Leistung steuern zu können, wird vorzugsweise der obere Teillastbereich, wie in Fig. 5 dargestellt, in einen normalen oberen Teillastbereich NOT unterteilt, welcher beispielsweise von 40% Teillast bis 90% Teillast reicht und in einen höch sten oberen Teillastbereich HOT, welcher von 90% bis 100% reicht.

In diesem höchsten oberen Teillastbereich HOT wird ausgehend von dem Wert der Pulsweite PW₁ der Einzelpulse PE₁ des ersten Pulssignalzuges bei 90% auch bei einer Leistungserhöhung die Pulsweite PW₁ nicht mehr geändert, sondern es folgt eine Leistungssteuerung über die Variation der Pulsweite PW₂ der wenigen Einzelpulse PE₁ des zweiten Pulssignalzuges P₂ in den Pulspausen PP zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen PE₁, um diese Steuerung möglichst präzise vornehmen zu können.

Prinzipiell wäre dabei in dem normalen oberen Teillastbereich NOT sowohl eine Variation der Pulsweite PW₁ als auch eine Variation der Pulsweite PW₂ zur Leistungseinstellung möglich.

Besonders einfach ist diese Vorgehensweise im normalen oberen Teillastbereich NOT dann, wenn ausgehend vom Übergang vom unteren Teillastbereich UT in den oberen Teillastbereich OT die maximale Pulsweite PW₂ beibehalten wird, die bei maxi maler Leistungseinspeisung Last im unteren Teillastbereich UT vorliegt und dann zusätzlich die Einzelpulse PE₁ mit der Pulsweite PW₁ des ersten Pulssignalzuges P₁ hinzugefügt werden, die dann einen oder mehrere Einzelpulse PE₂ des zweiten Pulssignalzuges P₂ ersetzen, wobei die gesamte Leistungssteuerung im normalen oberen Teillastbereich vor zugsweise ausschließlich über die Pulsweite PW₁ bei konstan ter Pulsweite PW₂' erfolgt, bis der höchste obere Teillast bereich HOT erreicht ist.

Eine derartige Vorgehensweise ist in Fig. 6a und b darge stellt. Gemäß Fig. 6a wird die Pulsweite PW₂ im unteren Teil lastbereich UT, beginnend von einem Wert im wesentlichen nahe 0% bis zum Wert PW₂' erhöht, bei welchem ein Übergang vom unteren Teillastbereich in den oberen Teillastbereich er folgt, wobei im normalen oberen Teillastbereich, wie in Fig. 6 dargestellt, die Leistungssteuerung ausschließlich durch Variation der Pulsweite PW₁ erfolgt bis zum Erreichen des höchsten oberen Teillastbereichs HOT, in welchem wiederum die Pulsweite PW₁ dann auf dem maximalen Wert des normalen oberen Teillastbereichs konstant gehalten wird, während die Leistungssteuerung ausschließlich über die Pulsweite PW₂ erfolgt, die hierzu über den Wert PW₂, welcher den maximalen Wert beim Übergang vom unteren Teillastbereich in den oberen Teillastbereich repräsentiert, hinaus erhöht wird.

Wie in Fig. 7 dargestellt, erlaubt es die erfindungsgemäße Lösung, die insgesamt bei der erfindungsgemäßen Steuerschal tung anfallenden thermischen Verluste zu reduzieren. Fig. 7 zeigt in Form der Kurve A den Verlauf der Wärmeverluste dann, wenn die gesamte Leistungssteuerung über den gesamten Bereich mittels des zweiten Pulssignalzuges P₂ und der Variation der Pulsweite PW₂ erfolgt.

Wird hingegen, wie durch die Kurve B dargestellt, im oberen Teillastbereich OT mit einer Kombination aus den Einzelpulsen PE₁ des ersten Pulssignalzuges P₁ und den Einzelpulsen PE₂ des zweiten Pulssignalzuges P₂ die Leistung gesteuert, so lassen sich die Wärmeverluste deutlich reduzieren. Noch deutlicher lassen sich die Wärmeverluste reduzieren, wenn der Übergang vom unteren Teillastbereich UT in den oberen Teillastbereich OT zu möglichst niedrigen Werten der Teillast gelegt wird, wie die Kurve C zeigt.

Der sich tatsächlich einstellende Strom I_Last an der Last 14 ist in Fig. 8 für einen Fall ähnlich Fig. 4c dargestellt, d. h., für den Fall, daß die Pulsweite PW₁ so gering ist, daß sie sich über wenige Einzelpulse PE₂ des zweiten Pulssignal zuges P₂ erstreckt. In diesem Fall steigt der über die Last 14 fließende Strom I_Last während des Einzelpulses PE₁ an und fällt dann langsam ab, wobei der Strom I_Last sich entsprechend der Folge von Einzelpulsen PE₂ ändert.

Wird dagegen, wie in Fig. 9 dargestellt, die Pulsweite PW₁ eines Einzelpulses PE₁ größer gewählt, so wird der Verlauf des Stromes I_Last über die Last 14 primär durch die Einzel pulse PE₁ mit der Pulsweite PW₁ dominiert und nur noch in geringem Maße von den Einzelpulsen PE₂ in den Pulspausen des ersten Pulssignalzuges P₁.

Claims

1. Steuerschaltung zum leistungsgesteuerten Betreiben einer Last, umfassend einen in einem Laststromkreis wirksamen Halbleiterschalter und eine Ansteuerung für den Halb leiterschalter, welche zur Steuerung desselben in einem Teillastbereich ein Steuersignal, umfassend aufeinander folgende und durch Pulspausen getrennte Ansteuerpulse, erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (S) in einem oberen Teillastbereich (OT) ein erstens Pulssignal (P₁) mit mit einer ersten Puls frequenz (f₁) aufeinanderfolgenden ersten Einzelpulsen (PE₁) sowie in den Pulspausen (PP) des ersten Pulssignals (P₁) ein zweites Pulssignal (P₂) mit mit einer zweiten Frequenz (f₂) aufeinanderfolgenden zweiten Einzelpulsen (PE₂) erzeugt und daß die zweite Frequenz (f₂) mindestens um einen Faktor 10 größer als die erste Frequenz (f₁) ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem oberen Teillastbereich (OT) mindestens eines der ersten und zweiten Pulssignale (P₁, P₂) zur Leistungssteuerung pulsweitenmodulierbar ist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem oberen Teillastbereich (OT) nur eines der Pulssignale (P₁, P₂) pulsweitenmodulierbar ist.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der obere Teillastbereich (OT) in einen höchsten oberen Teillastbereich (HOT) und einen normalen oberen Teillastbereich (NOT) unterteilbar ist und daß in dem normalen oberen Teillastbereich (NOT) die Einzel pulse (PE₁) des ersten Pulssignals (P₁) pulsweiten modulierbar sind und daß in dem höchsten oberen Teil lastbereich (HOT) die Einzelpulse (PE₂) des zweiten Puls signals (P₂) pulsweitenmodulierbar sind.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem normalen oberen Teillastbereich (NOT) die Pulsweite (PW₂) der Einzelpulse (PE₂) des zweiten Puls signals (P₂) konstant ist.

6. Steuerschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß in dem höchsten oberen Teillastbereich (HOT) die Pulsweite (PW₂) der Einzelpulse (PE₂) des ersten Pulssignals (P₁) konstant ist.

7. Steuerschaltung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem unterhalb des oberen Teillastbereichs (OT) liegenden unteren Teillast bereich (UT) das Steuersignal (S) ein drittes Pulssignal (P₂) mit einer dritten Frequenz (f₂) umfaßt, die größer als die erste Frequenz (f₁) ist.

8. Steuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Frequenz (f₂) in derselben Größenordnung liegt wie die zweite Frequenz (f₂).

9. Steuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Frequenz (f₂) und die zweite Frequenz (f₂) ungefähr gleich groß sind.

10. Steuerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Frequenz mit der zweiten Frequenz (f₂) identisch ist.

11. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Pulssignal (P₂) ebenfalls pulsweitenmodulierbar ist.

12. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von dem unteren Teillastbereich (UT) in den oberen Teillastbereich (OT) bei Teillastwerten im Bereich von ungefähr 20% bis ungefähr 50% erfolgt.

13. Steuerschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Übergang vom unteren Teillastbereich (UT) in den oberen Teillastbereich (OT) bei Teillast werten im Bereich von ungefähr 30% bis ungefähr 40% erfolgt.

14. Steuerschaltung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Frequenz (f₂) und/oder die dritte Frequenz (f₂) um einen Faktor in der Größenordnung von 30 oder mehr größer als die erste Frequenz (f₁) ist.

15. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teillastbereich (OT) sich unmittelbar an den unteren Teillastbereich (UT) anschließt.

16. Steuerschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß der untere Teillastbereich (UT) und der obere Teillastbereich (OT) den gesamten Teillastbereich bis zur Vollast abdecken.

17. Steuerschaltung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung (20) einen Pulsgenerator (22) und eine Pulsformerstufe (24) auf weist.

18. Steuerschaltung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Pulssignal (P₁) und das zweite Pulssignal (P₂) als fortlaufend aufeinander folgende Einzelpulse (PE₁, PE₂) aufweisende Pulssignal züge (P₁, P₂) mit konstanter Frequenz (f₁, f₂) erzeugbar sind und daß aus den Pulssignalzügen (P₁, P₂) durch ODER- Verknüpfung das Steuersignal (S) für den oberen Teil lastbereich (OT) entsteht.

19. Verfahren zum leistungsgesteuerten Betreiben einer Last mittels einer Steuerschaltung, umfassend einen in einem Laststromkreis wirksamen Halbleiterschalter und eine Ansteuerung für den Halbleiterschalter, welche zur Steuerung desselben in einem Teillastbereich ein Steuer signal umfassend aufeinanderfolgende, durch Pulspausen getrennte Ansteuerpulse erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oberen Teillastbereich (OT) das Steuersignal (S) so erzeugt wird, daß es ein erstes Pulssignal (P₁) mit mit einer ersten Pulsfrequenz (f₁) aufeinanderfolgenden Einzelpulsen (PE₁) sowie in den Pulspausen (PP) des ersten Pulssignals (P₁) ein zweites Pulssignal (P₂) mit mit einer zweiten Pulsfrequenz (f₂) aufeinanderfolgenden Einzelpulsen (PE₂) aufweist und daß die zweite Puls frequenz (f₂) mindestens um einen Faktor 10 größer als die erste Pulsfrequenz (f₁) ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuerung durch Pulsweitenmodulation minde stens eines der ersten und zweiten Pulssignale (P₁, P₂) durchgeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Pulsweite (PW) eines der Pulssignale (P₁, P₂) moduliert wird, während das andere der Pulssignale (P₂, P₁) konstant gehalten wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teillastbereich (OT) in einen höchsten oberen Teillastbereich (HOT) und einen normalen oberen Teillastbereich (NOT) aufgeteilt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß in dem normalen oberen Teillastbereich (NOT) das erste Pulssignal (P₁) hinsichtlich der Pulsweite (PW) zur Leistungssteuerung moduliert wird.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekenn zeichnet, daß in dem höchsten oberen Teillastbereich (HOT) das zweite Pulssignal (P₂) zur Steuerung der Leistung moduliert wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweils andere Pulssignal (P₂, P₁) hinsichtlich seiner Pulsweite (PW) konstant gehalten wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des oberen Teillast bereichs (OT) ein Steuersignal (S) erzeugt wird, welches ein drittes Pulssignal (P₂) mit einer dritten Frequenz (f₂) umfaßt, die größer ist als die erste Frequenz (f₁).

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Frequenz (f₂) in derselben Größenordnung liegt wie die zweite Frequenz (f₂).

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Frequenz (f₂) mit der zweiten Frequenz (f₂) im wesentlichen identisch ist.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Pulssignal (P₂) hinsicht lich seiner Pulsweite (PW₂) moduliert wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teillastbereich (UT) und der obere Teillastbereich (OT) den gesamten Teillast bereich bis zur Vollast abdecken.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Pulssignal (P₁) und das zweite Pulssignal (P₁) als fortlaufende Pulssignalzüge (PS) mit konstanter Frequenz erzeugt werden und durch ODER-Verknüpfung aus den beiden Pulssignalzügen (P₁, P₂) das Steuersignal im oberen Teillastbereich (OT) erzeugt wird.