DE19939983A1 - Verfahren zum Betreiben eines DC-DC-Wandlers - Google Patents

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zum Betreiben eines DC-DC-Wandlers wird eine Versorgungsspannung nach Maßgabe des Tastverhältnisses eines Taktsignals in eine Ausgangsspannung transformiert und die Ausgangsspannung durch Variation des Tastverhältnisses des Taktsignals auf einen Sollwert geregelt. Als nachteilig erweist sich, daß die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers im Störungsfall bei hohen Werten der Versorgungsspannung wesentlich größer ist als eine während des störungsfreien Betriebs von einem Verbraucher geforderte maximale Bedarfsleistung. Die Bauteile des DC-DC-Wandlers müssen daher bezüglich ihrer Leistungsaufnahme überdimensioniert sein. Das neue Verfahren soll die Verwendung kleiner und kostengünstiger Bauteile ermöglichen. DOLLAR A Beim neuen Verfahren wird das Tastverhältnis des Taktsignals auf einen Maximalwert begrenzt, der in Abhängigkeit der Versorgungsspannung derart vorgegeben wird, daß die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers kleiner ist als eine Maximalleistung und vorzugsweise größer ist als die maximale Bedarfsleistung. DOLLAR A Ansteuerung von Zündmodulen von Brennkraftmaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartiges Verfahren ist aus der DE 197 25 440 A1 bekannt. Beim bekannten Verfahren wird mit einem DC-DC-Wandler, d. h. mit einem Gleichspan­ nungs/Gleichspannungs-Wandler, eine Versorgungsspannung in eine gegenüber der Versorgungsspannung größere Ausgangsspannung transformiert. Der DC-DC- Wandler weist eine Speicherdrossel, einen Leistungsschalter, eine Diode, einen Glät­ tungskondensator und eine Steuereinheit auf, wobei ein Anschluß der Speicherdros­ sel mit einem Versorgungsanschluß verbunden ist, der andere Anschluß der Spei­ cherdrossel über den Leistungsschalter sowie über den Glättungskondensator mit einem Masseanschluß verbunden ist und über die Diode mit einem Ausgangsan­ schluß verbunden ist. Die Versorgungsspannung liegt dabei zwischen Versorgungs­ anschluß und Masseanschluß an und die Ausgangsspannung steht zwischen Aus­ gangsanschluß und Massenschluß an.

Während des Wandlerbetriebs wird der Leistungsschalter durch ein von der Steuer­ einheit erzeugtes Taktsignal periodisch ein- und ausgeschaltet, so daß bei geschlos­ senem Leistungsschalter ein Eingangsstrom vom Eingangsanschluß über die Spei­ cherdrossel und den Leistungsschalter zum Masseanschluß fließt. Hierbei wird Energie in der Speicherdrossel gespeichert. Diese gespeicherte Energie wird nach dem Öffnen des Leistungsschalter zusätzlich zu der über den Versorgungsanschluß dem DC-DC-Wandler zugeführten Energie am Ausgangsanschluß abgegeben, so daß die Ausgangsspannung größer als die Versorgungsspannung ist. Die Ausgangsspan­ nung ist dabei sowohl von der Versorgungsspannung abhängig - diese kann zwi­ schen einem zulässigen Minimalwert und einem zulässigen Maximalwert schwanken - als auch vom Tastverhältnis des Taktsignals abhängig und sie wird durch entspre­ chende Variation des Tastverhältnisses des Taktsignals auf einen konstanten Soll­ wert geregelt.

Als nachteilig erweist sich, daß die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers im Stö­ rungsfall, beispielsweise bei ausgangsseitigem Kurzschluß, bei hohen Werten der Versorgungsspannung wesentlich größer ist als eine während des störungsfreien Betriebs abzugebende maximale Bedarfsleistung - der Leistung, die von einem dem DC-DC-Wandler nachgeschalteten Verbraucher maximal gefordert wird. Um eine Zerstörung des DC-DC-Wandlers im Störungsfall zu vermeiden, müssen die Bauteile des DC-DC-Wandlers bezüglich ihrer Leistungsaufnahme überdimensioniert sein. Derartige Bauteile sind aber groß und teuer und beanspruchen zudem Platz für ent­ sprechend große Kühlkörper.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1 anzugeben, das einfach durchführbar ist und das die Verwendung kleiner und kostengünstiger Bauteile im DC-DC-Wandler ermöglicht.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Erfindungsgemäß wird das Tastverhältnis des Taktsignals auf einen von der Versor­ gungsspannung abhängigen Maximalwert begrenzt. Der Zusammenhang zwischen dem Maximalwert des Tastverhältnisses des Taktsignals und der Versorgungsspan­ nung wird dabei derart vorgegeben, daß die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers kleiner ist als eine vorgegebene Maximalleistung - der Leistung, die von den Bau­ teilen des DC-DC-Wandlers maximal aufzunehmen ist. Durch die von der Versor­ gungsspannung abhängige Begrenzung des Tastverhältnisses des Taktsignals er­ reicht man, daß die vom DC-DC-Wandler maximal abgebbare Ausgangsleistung mit zunehmender Versorgungsspannung auf näher an der maximalen Bedarfsleistung liegende Werte reduziert wird.

Vorzugsweise wird der Maximalwert des Tastverhältnisses des Taktsignals zusätzlich derart vorgegeben, daß die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers bei auf den Ma­ ximalwert eingestelltem Tastverhältnis größer ist als eine maximale Bedarfsleistung - der maximalen Leistung, die der DC-DC-Wandler im Bedarfsfall am Ausgang abge­ ben muß.

Vorzugsweise wird das Tastverhältnis des Taktsignals durch ein Steuersignal vorge­ geben, welches nach Maßgabe einer Steuerkennlinie aus der Versorgungsspannung generiert wird. Die Steuerkennlinie wird dabei derart gewählt, daß sie zwischen einer oberen und einer unteren Leistungskennlinie liegt, wobei die obere Leistungskennli­ nie die Abhängigkeit des Steuersignals von der Versorgungsspannung für den Fall darstellt, daß die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers gleich der Maximalleistung ist, und die untere Leistungskennlinie, die Abhängigkeit des Steuersignals von der Versorgungsspannung für den Fall vorgibt, daß die Ausgangsleistung des DC-DC- Wandlers gleich der Minimalleistung ist.

Vorteilhafterweise wird eine Gerade zwischen die obere und untere Leistungskennli­ nie interpoliert und diese Gerade als Steuerkennlinie gewählt.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem als Aufwärtswandler ausgeführten DC-DC-Wandler ist die Ansteuerung von Zündmo­ dulen von Brennkraftmaschinen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Spannungs-Strom-Diagramm für die Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung aus Fig. 1,

Fig. 3 Kennlinien eines Steuersignals der Schaltungsanordnung aus Fig. 1,

Fig. 4 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung des Steuer­ signals aus Fig. 3.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens einen DC-DC-Wandler 1, der eine Gleichspannung - die Ver­ sorgungsspannung Ui - in eine bezüglich der Versorgungsspannung Ui höhere Aus­ gangsspannung Uo transformiert, sowie eine Steuereinheit 2, die nach Maßgabe der Ausgangsspannung Uo auf den DC-DC-Wandler 1 wirkt und eine Regelung der Aus­ gangsspannung Uo bewirkt. Der DC-DC-Wandler 1 ist als Aufwärtswandler, d. h. als Hochsetzsteller, ausgeführt. Er weist eine Speicherdrossel L1, einen beispielsweise als NMOS-Transistor ausgeführten Schalter S1, eine Diode D1 und einen Glättungs­ kondensator C1 auf. Die Speicherdrossel L1 ist mit einem Anschluß mit einem Ver­ sorgungsanschluß Vi+ für die Versorgungsspannung Ui und mit dem anderen An­ schluß mit dem Anodenanschluß der Diode D1 und über den Schalter S1 sowie über den Glättungskondensator C1 mit einem Masseanschluß GND verbunden. Der Ka­ thodenanschluß der Diode D1 ist mit dem Ausgangsanschluß Vo+ für die Ausgangs­ spannung Uo und über die Steuereinheit 2 mit einem Steuereingang des Schalters S1.

Die Steuereinheit 2 umfaßt einen Oszillator 22 zur Erzeugung eines periodischen Oszillatorsignals Uosc, einen Pulsweitenmodulator 21 zur Erzeugung eines pulswei­ tenmodulierten Taktsignals Us, ein Stellglied 20 zur Erzeugung eines von der Aus­ gangsspannung Uo abhängigen Stellsignals Up zur Einstellung des Tastverhältnisses δ des Taktsignals Us und eine Steuerstufe 23 zur Erzeugung eines von der Versor­ gungsspannung Ui abhängigen Steuersignals Ut zur Begrenzung des Tastverhältnis­ ses δ des Taktsignals Us.

Das Taktsignal Us wird dem Steuereingang des Schalters S1 zugeführt wird und schaltet diesen im Takt des Taktsignals Us ein und aus. Bei geschlossenem Schalter S1 fließt ein Eingangsstrom Ii vom Versorgungsanschluß Vi+ zur Speicherdrossel L1 und über die Speicherdrossel L1 und den Schalter S1 zum Masseanschluß GND. Hierbei wird Energie in der Speicherdrossel L1 gespeichert. Diese gespeicherte Energie wird bei offenem Schalter S1 zusätzlich zu der Energie, die dem Versor­ gungsanschluß Vi+ zugeführt wird, am Ausgangsanschluß Vo+ abgegeben, so daß die Ausgangsspannung Uo größer ist als die Versorgungsspannung Ui. Die Aus­ gangsspannung Uo hängt dabei vom Tastverhältnis δ des Taktsignals Us, d. h. vom Verhältnis Einschaltdauer des Schalters S1 zu Einschaltperiode des Schalters S1 ab. Das Tastverhältnis δ wird durch die Steuereinheit 2 derart variiert, daß die Aus­ gangsspannung Uo auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird. Hierzu wird die Ausgangsspannung Uo im Stellglied 20 mit dem Sollwert verglichen und das Stellsi­ gnal Up nach Maßgabe der Abweichung der Ausgangsspannung Uo vom Sollwert variiert. Im Pulsweitenmodulator 21 wird das Oszillatorsignal Uosc - dieses weist eine langsam steigende und/oder eine langsam fallende Signalflanke auf - mit dem Stellsignal Up verglichen und als Vergleichsergebnis das Taktsignal Us generiert. Der Pulsweitenmodulator 21 wird sobald das Stellsignal Up über das Steuersignal Ut ansteigt deaktiviert und zurückgesetzt, so daß das Tastverhältnis δ des Taktsignals Ut nur bis zu einem vom Steuersignal Ut abhängigen Maximalwert ansteigen kann.

Fig. 2 zeigt für zwei Betriebsfälle den Verlauf der Ausgangsspannung Uo in Abhän­ gigkeit des vom DC-DC-Wandler 1 an einen Verbraucher abgegebenen Ausgangs­ stromes Io. Gemäß dieser Figur kann die Ausgangsspannung Uo nur bis zu einem Grenzwert des Ausgangsstromes Io auf den Sollwert U1 geregelt werden, in dem einen Fall ist das der Grenzwert I1 und in dem anderen Fall der Grenzwert I2. Ab diesen Grenzwerten I1 bzw. I2 fällt die Ausgangsspannung Uo steil ab, d. h. der Re­ gelbereich der Schaltungsanordnung ist beschränkt. Die Grenzwerte I1, I2 hängen sowohl vom Maximalwert δmax des Tastverhältnisses δ des Taktsignals Us als auch von der Versorgungsspannung Ui ab. Die Abhängigkeit ist dabei derart, daß mit zu­ nehmendem Maximalwert δmax und mit zunehmender Versorgungsspannung Ui - diese kann innerhalb eines durch einen zulässigen Minimalwert Uimin und einen zulässigen Maximalwert Uimax definierten zulässigen Wertebereichs schwanken - auch der Grenzwert des Ausgangsstromes Io ansteigt.

Die Bauteile des DC-DC-Wandlers 1 sind derart gewählt, daß ihre zulässige Lei­ stungsaufnahme größer oder gleich einer vorgegebenen Maximalleistung P1 ist. Um sicherzustellen, daß die Bauteile nicht überlastet werden, wird vom DC-DC-Wandler 1 daher gefordert, daß seine Ausgangsleistung auf einen unterhalb der Maximallei­ stung P1 liegenden Wert begrenzt wird. Andererseits wird vom DC-DC-Wandler 1 gefordert, daß er in der Lage ist, eine vorgegebene maximale Bedarfsleistung P2 an den Verbraucher abzugeben; es handelt sich hierbei um die maximale vom Verbrau­ cher im störungsfreien Betrieb geforderte Leistung. Die Leistungsbegrenzung wird dadurch erreicht, daß das den Maximalwert δmax des Tastverhältnisses δ bestim­ mende Steuersignal Ut gemäß einer Steuerkennlinie als Funktion der Versorgungs­ spannung Ui vorgegeben wird. Anhand Fig. 3 wird im folgenden beschrieben, wie eine derartige geeignete Steuerkennlinie ausgewählt wird.

Die drei Kennlinien Ut0, Ut1, Ut2 aus Fig. 3 geben die Zusammenhang zwischen der Versorgungsspannung Ui und dem Steuersignal Ut für verschiedene Betriebsfälle wieder. Dabei entspricht die obere Kennlinie Ut1 - im folgenden obere Leistungs­ kennlinie genannt - einem Betriebsfall, bei dem die Ausgangsleistung des DC-DC- Wandlers 1 gleich der Maximalleistung P1 ist, die untere Kennlinie Ut2 - im folgen­ den untere Leistungskennlinie genannt - einem Betriebsfall, bei dem die Ausgangs­ leistung des DC-DC-Wandlers 1 gleich der maximalen Bedarfsleistung P2 ist, und die mittlere Kennlinie Ut0 einem Betriebsfall, bei dem die Ausgangsleistung des DC-DC- Wandlers einen zwischen der Maximalleistung P1 und der maximalen Bedarfslei­ stung P2 liegenden Wert annimmt. Zur Ermittlung der oberen Leistungskennlinie Ut1 werden aus dem zulässigen Wertebereich Uimin . . . Uimax der Versorgungsspannung Ui verschiedene Spannungswerte ausgewählt und für diese Spannungswerte dieje­ nigen Werte des Steuersignals Ut ermittelt, bei denen die Ausgangsleistung des DC- DC-Wandlers 1 gleich der Maximalleistung P1 ist. Entsprechend werden zur Ermitt­ lung der unteren Leistungskennlinie Ut2 aus dem zulässigen Wertebereich Uimin . . . Uimax der Versorgungsspannung Ui verschiedene Spannungswerte ausgewählt und für diese Spannungswerte diejenigen Werte des Steuersignals Ut ermittelt, bei de­ nen die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers 1 gleich der maximalen Bedarfslei­ stung P2 ist. Die mittlere Kennlinie Ut0 stellt die Steuerkennlinie dar, gemäß der das Steuersignal Ut generiert wird. Sie wird derart gewählt, daß sie für alle im zulässigen Wertebereich Uimin . . . Uimax enthaltenen Werte der Versorgungsspannung Ui zwi­ schen der oberen Leistungskennlinie Ut1 und der unteren Leistungskennlinie Ut2 liegt. Somit wird gewährleistet, daß die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers 1 für jeden zulässigen Wert der Versorgungsspannung Ui kleiner als die Maximalleistung P1 ist und daß der DC-DC-Wandler 1 die maximale Bedarfsleistung P2 abgeben kann, wenn dies vom nachgeschalteten Verbraucher gefordert wird.

Im vorliegenden Fall ist die Steuerkennlinie Ut0 eine zwischen die obere und untere Leistungskennlinie Ut1, Ut2 interpolierte Gerade. Eine derartige Kennlinie läßt sich, wie aus Fig. 4 ersichtlich wird, schaltungstechnisch einfach realisieren.

Gemäß Fig. 4 umfaßt die Steuerstufe 23 ein Proportionalglied 230 mit einem Spannungsteiler R20, R21, R22 und einem ersten Spannungsfolger V20, ein dem Proportionalglied 230 nachgeschaltetes Summationsglied 231 mit einem Wider­ standsnetzwerk R23, R24, R25, R26 und einem zweiten Spannungsfolger V21 sowie ein dem Summationsglied 231 nachgeschaltetes RC-Glied 232 mit einem Dämp­ fungswiderstand R27 und einem Dämpfungskondensator C20. Die Versorgungs­ spannung Ui wird dem Spannungsteiler R20, R21, R22 zugeführt. Letzterer weist einen Abgriff A1 auf, der einem Eingang des ersten Spannungsfolgers V20 zugeführt wird. Am Ausgang des ersten Spannungsfolgers V20 steht somit eine zur Versor­ gungsspannung Ui proportionale Spannung an. Das Widerstandsnetzwerk R23, R24, R25, R26 des Summationsglieds 231 weist einen Spannungsteiler R24, R26 auf, dem eine konstante Referenzspannung Uref zugeführt wird. Ein Abgriff B1 dieses Spannungsteilers R24, R26 ist über einen Widerstand R25 mit einem Eingang des zweiten Spannungsfolgers V21 verbunden, der seinerseits über einen weiteren Wi­ derstand R23 des Widerstandsnetzwerks R23, R24, R25, R26 mit dem Ausgang des ersten Spannungsfolgers V20 verbunden ist. Der Ausgang des zweiten Spannungs­ folgers V21, an dem das Steuersignal Ut ansteht, ist über den Dämpfungswiderstand R27 des RC-Glieds 232 mit dem Masseanschluß GND und über den Dämpfungs­ kondensator C20 des RC-Glieds mit einem Anschluß Vref+ für die Referenzspan­ nung Uref verbunden. Durch das RC-Glied 232 wird sichergestellt, daß das Steuersi­ gnal Ut und somit auch das Tastverhältnis δ des Taktsignals Us beim Einschalten der Schaltungsanordnung nur langsam ansteigt, so daß ein sicheres Einschwingen der Schaltungsanordnung gewährleistet wird.

Die vorliegende Schaltungsanordnung soll in Kraftfahrzeugen zur Ansteuerung von Zündmodulen verwendet werden. Bei einer derartigen Anwendung beträgt die Ma­ ximalleistung P1 beispielsweise 17 W und die von den Zündmodulen geforderte ma­ ximale Bedarfsleistung P2 beispielsweise 7 W. Die Versorgungsspannung Ui wird üblicherweise von einer Kraftfahrzeugbatterie mit 12 V Nennspannung geliefert. Die Spannung einer derartigen Kraftfahrzeugbatterie kann zwischen 6 V und 15 V schwanken, so daß zweckmäßigerweise die Werte Uimin = 6 V und Uimax = 15 V als Grenzwerte des zulässigen Wertebereichs Uimin . . . Uimax der Versorgungsspannung Ui gewählt werden. Es ist üblich Kraftfahrzeuge, die verschifft werden, beim Beladen und/oder Entladen zu starten und hierzu eine externe Batterie mit einer Nennspan­ nung von 24 V (maximale Batteriespannung 27 V) zu verwenden, um somit ein schnelles und sicheres Starten zu gewährleisten. Um sicherzustellen, daß die Schal­ tungsanordnung auch bei so hohen Werten der Versorgungsspannung Ui funktio­ niert, sind im Spannungsteiler R20, R21, R22 des Proportionalglieds 230 ein zusätz­ licher Anschluß A2 und eine Zenerdiode DZ vorgesehen. Der zusätzliche Anschluß A2 ist dabei über die Zenerdiode DZ mit dem Masseanschluß GND verbunden. Auf­ gabe der Zenerdiode DZ ist es, das Steuersignals Ut zu begrenzen, so daß das Steu­ ersignal Ut bei Spannungswerten der Versorgungsspannung Ui oberhalb des zulässi­ gen Maximalwertes Uimax, also oberhalb der maximalen Spannung der üblicherwei­ se verwendeten Kraftfahrzeugbatterie, nicht mehr ansteigt. Hierdurch wird gewähr­ leistet, daß das Tastverhältnis δ auch bei den zulässigen Maximalwert Uimax über­ schreitenden Werten der Versorgungsspannung Ui nicht auf den Wert Null einge­ stellt wird, wodurch eine Deaktivierung des DC-DC-Wandlers 1 vermieden wird.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betreiben eines DC-DC-Wandlers (1), der eine Versorgungsspan­ nung (Ui) nach Maßgabe des Tastverhältnisses (δ) eines Taktsignals (Us) in eine Ausgangsspannung (Uo) transformiert, wobei die Ausgangsspannung (Uo) durch Variation des Tastverhältnisses (δ) des Taktsignals (Us) auf einen Sollwert (U1) ge­ regelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis (δ) des Taktsignals (Us) auf einen von der Versorgungsspannung (Uo) abhängigen Maximalwert (δmax) be­ grenzt wird, der in Abhängigkeit der Versorgungsspannung (Uo) derart gewählt wird, daß die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers (1) kleiner als eine vorgegebene Maximalleistung (P1) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert (δmax) des Tastverhältnisses (δ) des Taktsignals (Us) in Abhängigkeit der Versor­ gungsspannung (Uo) derart gewählt wird, daß die Ausgangsleistung des DC-DC- Wandlers (1) bei auf diesen Maximalwert (δmax) eingestelltem Tastverhältnis (δ) des Taktsignals (Us) größer als eine vorgegebene maximale Bedarfsleistung (P2) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis (δ) des Taktsignal (Us) durch ein Steuersignal (Ut) vorgegeben wird, daß eine obere Leistungskennlinie (Ut1) ermittelt wird, die die Abhängigkeit des Steuersignals (Ut) von der Versorgungsspannung (Uo) für den Fall darstellt, daß die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers (1) gleich der Maximalleistung (P1) ist, daß eine untere Lei­ stungskennlinie (Ut2) ermittelt wird, die die Abhängigkeit des Steuersignals (Ut) von der Versorgungsspannung (Uo) für den Fall darstellt, daß die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers (1) gleich der maximalen Bedarfsleistung (P2) ist, und daß das Steuersignal (Ut) nach Maßgabe einer zwischen den Leistungskennlinien (Ut1, Ut2) liegenden Steuerkennlinie (Ut0) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gerade zwischen die obere und untere Leistungskennlinie (Ut1, Ut2) interpoliert wird und daß die Ge­ rade als Steuerkennlinie (Ut0) gewählt wird.