EP1925194A2 - Verfahren zum betreiben von schaltnetzteilen - Google Patents

Verfahren zum betreiben von schaltnetzteilen

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EP1925194A2
EP1925194A2 EP06777776A EP06777776A EP1925194A2 EP 1925194 A2 EP1925194 A2 EP 1925194A2 EP 06777776 A EP06777776 A EP 06777776A EP 06777776 A EP06777776 A EP 06777776A EP 1925194 A2 EP1925194 A2 EP 1925194A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
power supply
temperature
switching power
temperatures
measured temperatures
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06777776A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wilhelm Appel
Wolfgang Peprny
Arnold SCHÖNLEITNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG Oesterreich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG Oesterreich filed Critical Siemens AG Oesterreich
Publication of EP1925194A2 publication Critical patent/EP1925194A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an air-cooled switched-mode power supply for industrial use, in which temperatures influenced by heat sources arranged in the switched-mode power supply are measured by means of thermocouples and reported to a control device. Furthermore, the invention relates to a switching power supply for carrying out the method.
  • Switching power supplies are well known. These are clocked converters for connecting loads to a power grid.
  • the clock frequency is well above that
  • switched-mode power supplies supply DC voltages for the supply of a wide variety of devices.
  • the switching power supplies work with pulse width modulation (PWM) and regulated constant output voltage.
  • PWM pulse width modulation
  • the transferable power depends on the design of the switching power supply and the conditions of use. Above all, the thermal conditions are to be considered here, since the arranged in a switching power supply components may only be operated within a certain temperature range. For the transmissible nominal power, the manufacturers of switching power supplies therefore specify in data sheets a maximum ambient temperature. For higher
  • Ambient temperatures is usually provided by a so-called derating.
  • the manufacturers indicate in data sheets how much the maximum transmittable power must be lowered in order to avoid damage to the components at higher ambient temperatures. Apart from high ambient temperatures, other causes can lead to overheating of switching power supplies. Examples are lack of heat dissipation or overload due to short circuits.
  • JP 7015953-Al describes, for example, a switching power supply that has a temperature-controlled protection circuit for switching off the output side short circuit.
  • a temperature sensor measures the temperature near the switching element and converts it into a digital signal in an analog-to-digital converter. With a timer to which the digital temperature signal is supplied, we then determined after the occurrence of a short circuit, depending on the measured temperature of the time for switching off the switching element.
  • JP 2004297886-A1 describes a central arrangement of a temperature sensor in a switched-mode power supply in order to use this one sensor to determine the temperature of several components
  • the TOPSwitch product family of the manufacturer Power Integration Inc. has a temperature-controlled PWM control.
  • an analog circuit causes the switching element of the PWM control is turned off when the junction temperature exceeds a predetermined value. After a lower threshold is reached, the switching element starts to clock again and the switching power supply operates in normal operation.
  • transistors foreseen for use in switching power supplies are known, which have a built-in thermal sensor.
  • a thermosensor chip is arranged on the transistor and connected to its gate and the source terminal. Under thermal overload, the thermal sensor chip shorts the gate and source terminals. By a resistor connected upstream of the gate, the drive voltage drops below the threshold and the load circuit is turned off.
  • the invention is based on the object to provide a method and an arrangement with which an improvement of the prior art is brought about.
  • thermocouples measured temperatures are reported to the controller and wherein the measured temperatures are compared with temperature patterns.
  • thermocouples arranged at different measuring points and a control device
  • the control device comprises means for comparing the measured temperatures with temperature patterns. In this way, not only the temperature for a component or for a group of components is tested. By comparison with known temperature patterns, the possibility is created to continuously record the overall thermal situation and from there specifications for the
  • thermocouples deliver measured values that are assigned to corresponding points in the temperature patterns.
  • both the heat development is detected by the components of the switching power supply itself and the heat generated by external sources. Accordingly, it is also possible to react to changes in the thermal situation as a result of a change in the temperature of the ambient air or due to changed radiation conditions of adjacent machines or devices.
  • Temperature pattern is triggered a change in state of the switching power supply. With little effort, the operating personnel can be shown critical operating conditions or changed control values can be specified.
  • the level of the transmittable power is determined as a function of temperature patterns, and if, when the measured temperatures approach one of the temperature patterns for the transmittable power, the value determined for this temperature pattern is specified.
  • the transferable power is thus continuously adapted to the current overall thermal conditions and is not only dependent on the thermal state of individual components. This results in an improvement in efficiency and reliability.
  • installation positions of the switching power supply own, caused by the air cooling temperature distributions are assigned as a temperature pattern and if the installation position of the switching power supply is determined by comparing the measured temperatures with these temperature patterns. The operating personnel can then display an unfavorable installation position or the maximum transferable power can be adapted to the resulting air flow conditions.
  • thermocouples are stored as temperature profiles. In case of damage or during inspection or maintenance work, the thermal situation over a past period can then be evaluated. From this conclusions are drawn for the selection of replacement devices or the change of operating conditions.
  • An advantageous embodiment of a switching power supply for carrying out the method comprises means for specifying at least two temperature patterns and for detecting an approximation of the measured temperatures to one of the temperature patterns and for changing the state of the switching power supply. Such means make it possible, the operating state of the switching element the thermal
  • thermocouples are to be arranged in the switching power supply in such a way that a change in the measured temperatures results from a change in position of the switched-mode power supply.
  • the effect given by the air cooling effect is used that the air flowing in through the bottom through ventilation slots in the housing is cooler than the air escaping above and thus allows a simple determination of the position.
  • Fig. 1 Structure of a switching power supply
  • FIG. 1 shows a switched-mode power supply from above.
  • the housing 1 is drawn without the front cover to give a view of the components free.
  • the arrangement of the individual components and the installation position of the switching power supply shown correspond to the prior art. But there are also other arrangement or mounting positions possible.
  • the input terminals 7 are shown lower left. About this the switching power supply is connected to a mains voltage.
  • a primary heat sink 3 Perpendicular to the printed circuit board 2, a primary heat sink 3 is arranged, on which two switching elements 5 are mounted. To the right of this is located in the upper region of the housing 1, a transformer 4. Below the output capacitors 10, designed as electrolytic capacitors, arranged.
  • a secondary diode 6 - also provided with a heat sink 16 - shown, which forms the rectifier circuit of the secondary part together with the output capacitors 10.
  • the housing 1 usually has at the bottom and at the top via ventilation slots, so that from below cooling air with ambient temperature reaches the housing interior, where it is heated by the heat-emitting components and then escapes with elevated temperature upwards.
  • thermoelements 11 to 15 are arranged in the switched-mode power supply.
  • the choice of measuring points depends on the requirements of the switching power supply.
  • thermocouples 11 and 12 at the bottom and at the top of the housing 1 are advantageous.
  • the lower thermocouple 11 measures the temperature of the incoming ambient air from below and the upper thermocouple 12, the temperature of the heated exhaust air.
  • at least two temperature patterns are determined by tests.
  • a temperature pattern is understood to mean a group of the temperatures which result at the individual measuring points at the same time in the case of a specific operating state.
  • An optimal temperature pattern results, for example, in the recommended installation position and maximum permissible ambient temperature for the full power transmission.
  • One second temperature pattern results in a changed installation position or too high ambient temperature.
  • several temperature patterns are determined, which result in different installation positions and different operating conditions.
  • thermocouple 13 The temperature of the switching elements 5, which are generally designed as field effect transistors (FET), is advantageously measured by means of a directly adjacent thermocouple 13. Moreover, it is advantageous to arrange a thermocouple 14 adjacent to the transformer 4 and a thermocouple 15 adjacent to the secondary diode 6 to measure the temperatures of these two components.
  • thermocouples 11 to 15 are thus provided, resulting in individual groups of five temperatures as a temperature pattern.
  • the temperature patterns determined in tests are available to the control device of the switched-mode power supply for comparison with the temperatures measured during operation.
  • a memory element and a microcontroller or a digital signal processor are suitable means.
  • Temperature pattern then represents the sum of the difference values a minimum. Is due to a switching power supply Critical conditions of use or due to particularly temperature-sensitive components requires increased monitoring of one or more measuring points, it is convenient to weight those difference values higher, which are assigned to these measuring points.
  • each temperature pattern is assigned a specific target state. It makes sense to specify certain maximum transferable benefits.
  • the control device of the switched-mode power supply thus controls the switching elements as a function of the currently most closely matched temperature pattern.
  • a switching power supply can also be operated permanently under thermal overload by a lower transferable power is given at higher temperatures.
  • a critical temperature pattern is favorably defined, in which the switching power supply is completely switched off. This may be necessary, for example, in the case of an output-side short circuit, in which the measured temperatures approach the critical temperature pattern.
  • the advantage over the prior art is thus in an automatic derating at unfavorable thermal conditions.
  • the possibility is created to impose a higher transferable performance in particularly good cooling conditions (for example, at low ambient temperatures).
  • Temperature pattern which most closely corresponds to the currently measured temperatures, also determines the temperature pattern at which the temperature profiles of the individual measuring points develop. In the process, it is constantly checked whether the temperatures are moving towards a temperature pattern of higher or lower levels. Thus, for example, a reduction in performance is still before achievement a critical temperature pattern possible, thereby possibly a complete shutdown of the switching power supply can be avoided.
  • thermocouple 12 which should actually measure the warmer exhaust air at the top, measures the temperature of the cool incoming ambient air and the other thermocouple 11 measures the warm exhaust air.
  • the thermal situation thus corresponds most closely to the temperature pattern that was determined during the development phase in an experiment with reversed integrated switching power supply.
  • This temperature pattern is associated with a corresponding message signal, whereby the approximation of the measured temperatures to this temperature pattern is signal-triggering.
  • the installation position is important due to the arrangement of the individual components.
  • the output capacitors 10 should be located in the cooler region below the transformer 4.
  • switching power supplies are operated at non-constant temperature of the ambient air. It is advantageous if storage means are provided which store the course of the measured temperatures for later evaluations. If the switched-mode power supply does not deliver the desired power, for example, the service personnel can determine whether this is the case by evaluating the temperature profile measured by means of the thermocouple 11 arranged at the lower edge is due to an excessive temperature of the incoming cooling air. The cooling air can then be cooled by appropriate measures such as an additional control cabinet ventilation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines luftgekühlten Schaltnetzteils für industrielle Anwendung, bei dem von äußeren Wärmequellen als auch von im Schaltnetzteil angeordneten Wärmequellen beeinflusste Temperaturen mittels Thermoelemente (11, 12, 13, 14, 15) gemessen und an eine Steuereinrichtung gemeldet werden, wobei von wenigstens zwei an unterschiedlichen Messpunkten angeordneten Thermoelementen (11, 12, 13, 14, 15) gemessene Temperaturen an die Steuereinrichtung gemeldet werden und wobei die gemessenen Temperaturen mit Temperaturmustern verglichen werden. Durch den Vergleich mit bekannten Temperaturmustern wird die Möglichkeit geschaffen, die thermische Gesamtsituation laufend zu erfassen und daraus Vorgaben für die Steuereinrichtung abzuleiten.

Description

Verfahren zum Betreiben von Schaltnetzteilen
Besehreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines luftgekühlten Schaltnetzteils für industrielle Anwendung, bei dem von im Schaltnetzteil angeordneten Wärmequellen beeinflusste Temperaturen mittels Thermoelemente gemessen und an eine Steuereinrichtung gemeldet werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Schaltnetzteil zur Durchführung des Verfahrens .
Schaltnetzteile sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um getaktete Wandler zum Anschluss von Lasten an ein Stromnetz. Die Taktfrequenz liegt dabei weit über der
Frequenz des Stromnetzes, woraus eine erheblich geringere Baugröße gegenüber Netztrafos mit Gleichrichter resultiert. Ausgangsseitig liefern Schaltnetzteile Gleichspannungen zur Versorgung unterschiedlichster Geräte.
In der Regel arbeiten die Schaltnetzteile mit Pulsweitenmodulation (PWM) und geregelter konstanter AusgangsSpannung. Die übertragbare Leistung hängt dabei von der Bauart des Schaltnetzteils und den Einsatzbedingungen ab. Vor allem die thermischen Bedingungen sind hier zu beachten, da die in einem Schaltnetzteil angeordneten Bauelemente nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs betrieben werden dürfen. Für die übertragbare Nennleistung geben die Hersteller von Schaltnetzteilen deshalb in Datenblättern eine maximale Umgebungstemperatur an. Für höhere
Umgebungstemperaturen ist in der Regel ein so genanntes Derating vorgesehen. Die Hersteller geben dabei in Datenblättern an, um wie viel die maximal übertragbare Leistung abgesenkt werden muss, um bei höheren Umgebungstemperaturen eine Beschädigung der Bauteile zu vermeiden . Abgesehen von hohen Umgebungstemperaturen können auch andere Ursachen zur Überhitzung von Schaltnetzteilen führen. Beispiele dafür sind mangelnde Wärmeabfuhr oder Überlastung durch Kurzschlüsse.
Um die Bauteile bei Überhitzung vor Schäden zu bewahren kennt man deshalb nach dem Stand der Technik Anordnungen und Verfahren, bei denen die thermischen Verhältnisse überwacht und bei Überschreitung eines Grenzwertes eine vorübergehende oder gänzliche Abschaltung des Schaltnetzteils erfolgt.
Die JP 7015953-Al beschreibt beispielsweise ein Schaltnetzteil, das über einen temperaturkontrollierten Schutzkreis zur Abschaltung bei ausgangsseitigem Kurzschluss verfügt. Mit einem Temperatursensor wird in der Nähe des Schaltelements die Temperatur gemessen und diese in einem Analog/Digital-Konverter in ein digitales Signal umgewandelt. Mit einem Zeitmesser, dem das digitale Temperatursignal zugeführt wird, wir dann nach Eintritt eines Kurzschlusses abhängig von der gemessenen Temperatur der Zeitpunkt für das Abschalten des Schaltelements bestimmt.
Die JP 2004297886-Al beschreibt eine zentrale Anordnung eines Temperatursensors in einem Schaltnetzteil, um mit diesem einen Sensor die Temperatur mehreren Komponenten wie
Schaltelement, Transformator und Gleichrichter messen zu können.
Die TOPSwitch Produktfamilie des Herstellers Power Integration Inc. verfügt über eine temperaturüberwachte PWM- Steuerung. Dabei bewirkt ein analoger Schaltkreis, dass das Schaltelement der PWM-Steuerung ausgeschaltet wird, sobald die Sperrschichttemperatur einen vorgegebenen Wert übersteigt. Nachdem ein unterer Schwellwert unterschritten wird, beginnt das Schaltelement wieder zu takten und das Schaltnetzteil arbeitet im Normalbetrieb. Darüber hinaus sind für den Einsatz in Schaltnetzteilen vorgesehne Transistoren bekannt, die über einen eingebauten Thermosensor verfügen. Dabei ist ein Thermosensor-Chip auf dem Transistor angeordnet und mit dessen Gate- und dem Source-Anschluss verbunden. Bei thermischer Überlastung schließt der Thermosensor-Chip den Gate- und Source-Anschluss kurz. Durch einen dem Gateanschluss vorgeschalteten Widerstand fällt die Ansteuerspannung unter den Schwellwert und der Lastschaltkreis wird abgeschaltet.
Die nach dem Stand der Technik bekannten Ausprägungen der Temperaturüberwachung von Schaltnetzteilen betreffen somit den Schutz der Komponenten der Schaltnetzteile selbst. Im Wesentlichen sind das die PWM-Steuerung und die Schaltelemente. Eine thermische Überlastung führt dann immer dazu, dass das Schaltnetzteil abschaltet und nicht mehr taktet, bis nach Absinken der Temperatur eine neuerliche Betriebsbereitschaft erkannt wird oder bis das Bedienpersonal das Schaltnetzteil erneut einschaltet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit denen eine Verbesserung des Standes der Technik herbeigeführt wird.
Erfindungsgemäß geschieht dies mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, wobei von wenigstens zwei an unterschiedlichen Messpunkten angeordneten Thermoelementen gemessene Temperaturen an die Steuereinrichtung gemeldet werden und wobei die gemessenen Temperaturen mit Temperaturmustern verglichen werden.
In einem Schaltnetzteil zur Durchführung des Verfahrens sind wenigstens zwei an unterschiedlichen Messpunkten angeordnete Thermoelemente und eine Steuereinrichtung vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung Mittel zum Vergleich der gemessenen Temperaturen mit Temperaturmustern umfasst. Auf diese Weise wird nicht nur die Temperatur für einen Bauteil oder für eine Gruppe von Bauteilen geprüft. Durch den Vergleich mit bekannten Temperaturmustern wird die Möglichkeit geschaffen, die thermische Gesamtsituation laufend zu erfassen und daraus Vorgaben für die
Steuereinrichtung abzuleiten. Die Thermoelemente liefern dabei Messwerte, die entsprechenden Punkten in den Temperaturmustern zugeordnet sind.
Damit wird sowohl die Wärmeentwicklung durch die Bauteile des Schaltnetzteils selbst als auch die Wärmeentwicklung durch externe Quellen erfasst. Entsprechend kann auch auf Änderungen der thermischen Situation infolge einer Temperaturänderung der Umgebungsluft oder durch geänderte Abstrahlungsverhältnisse benachbarter Maschinen oder Geräte reagiert werden.
Eine einfache Ausprägung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei Temperaturmuster vorgegeben werden und dass bei Annäherung der gemessenen Temperaturen an eines der
Temperaturmuster eine Zustandsänderung des Schaltnetzteils ausgelöst wird. Mit geringem Aufwand können so dem Bedienungspersonal kritische Betriebszustände angezeigt oder geänderte Regelungswerte vorgegeben werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Höhe der übertragbaren Leistung abhängig von Temperaturmustern festgelegt wird und wenn bei Annäherung der gemessenen Temperaturen an eines der Temperaturmuster für die übertragbare Leistung jener Wert vorgegeben wird, der für dieses Temperaturmuster festgelegt wurde. Die übertragbare Leistung wird so laufend den momentanen thermischen Gesamtverhältnissen angepasst und ist nicht nur vom thermischen Zustand einzelner Bauteile abhängig. Das hat eine Verbesserung des Wirkungsgrades und der Ausfallsicherheit zur Folge. Von Vorteil ist es auch, wenn möglichen Einbaulagen des Schaltnetzteils eigene, durch die Luftkühlung hervorgerufene Temperaturverteilungen als Temperaturmuster zugeordnet werden und wenn durch Vergleich der gemessenen Temperaturen mit diesen Temperaturmustern die Einbaulage des Schaltnetzteils festgestellt wird. Dem Betriebspersonal kann dann eine ungünstige Einbaulage angezeigt oder die maximal übertragbare Leistung den sich ergebenden Luftströmungsverhältnissen angepasst werden.
Günstigerweise werden die von den Thermoelementen gemessenen Temperaturen als Temperaturverläufe gespeichert. Im Schadensfall oder bei Inspektions- bzw. Wartungsarbeiten kann dann die thermische Situation über einen vergangenen Zeitraum hinweg ausgewertet werden. Daraus sind Rückschlüsse für die Auswahl von Ersatzgeräten oder die Änderung der Betriebsbedingungen zu ziehen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Schaltnetzteils zur Durchführung der Verfahren umfasst Mittel zur Vorgabe von wenigstens zwei Temperaturmustern und zur Erfassung einer Annäherung der gemessenen Temperaturen an eines der Temperaturmuster und zur Veränderung des Zustands des Schaltnetzteils. Derartige Mittel ermöglichen es, den Betriebszustand des Schaltelements den thermischen
Bedingungen in Abhängigkeit der vorgegebenen Temperaturmuster anzupassen oder dem Bedienpersonal durch Veränderung eines Anzeigezustandes thermische Grenzwerte anzuzeigen.
Von Vorteil ist es, wenn zudem Mittel zur Vorgabe der übertragbaren Leistung vorgesehen sind. Wird durch einen Vergleich der gemessenen Temperaturen mit den entsprechenden Punkten der Temperaturmuster erkannt, dass eine Annäherung an ein Temperaturmuster erfolgt, so wird eine dem Temperaturmuster zugeordnete maximale übertragbare Leistung vorgegeben. Das Schaltnetzteil kann dann über einen weiten Temperaturbereich hinweg mit der maximal möglichen, für die Bauteile gerade noch thermisch verträglichen Leistung betrieben werden. Das bewirkt ein Optimieren der Ausnutzung gegenüber herkömmlichen Schaltnetzteilen, die ab einer fix vorgegebenen thermischen Belastung abschalten.
Für die als vorteilhafte Ausprägung der Erfindung genannte Lagebestimmung sind im Schaltnetzteil wenigstens zwei Thermoelemente in der Weise anzuordnen, dass sich durch eine Lageänderung des Schaltnetzteils eine Veränderung der gemessenen Temperaturen ergibt. Dabei wird der durch die Luftkühlung gegebene Effekt genutzt, dass die an der Unterseite durch Lüftungsschlitze im Gehäuse einströmende Luft kühler als die oben entweichende Luft ist und so in einfacher Weise eine Lagebestimmung ermöglicht.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung:
Fig. 1: Aufbau eines Schaltnetzteils
In Figur 1 ist ein Schaltnetzteil von oben aus gesehen dargestellt. Das Gehäuse 1 ist dabei ohne die vordere Abdeckung gezeichnet, um den Blick auf die Komponenten frei zu geben. Die Anordnung der einzelnen Komponenten und die dargestellte Einbaulage des Schaltnetzteils entsprechen dem Stand der Technik. Es sind aber auch andere Anordnung oder Einbaulagen möglich.
Auf einer Leiterplatte 2 sind links unten die Eingangsklemmen 7 dargestellt. Über diese wird das Schaltnetzteil an eine Netzspannung angeschlossen. Daneben befinden sich die Eingangskondensatoren 9, die in der Regel als Elektrolytkondensatoren ausgebildet sind.
Senkrecht zur Leiterplatte 2 ist ein primärer Kühlkörper 3 angeordnet, auf dem zwei Schaltelemente 5 angebracht sind. Rechts davon befindet sich im oberen Bereich des Gehäuses 1 ein Transformator 4. Darunter sind die Ausgangskondensatoren 10, als Elektrolytkondensatoren ausgebildet, angeordnet.
Am rechten Rand des Gehäuses 1 ist eine Sekundärdiode 6 - ebenfalls mit einem Kühlkörper 16 versehen - dargestellt, die gemeinsam mit den Ausgangskondensatoren 10 die Gleichrichterschaltung des Sekundärteils bildet.
Rechts unten sind die Ausgangsklemmen 8 angeordnet, an die eine Last anschließbar ist. Das Gehäuse 1 verfügt in der Regel an der Unterseite und an der Oberseite über Lüftungsschlitze, sodass von unten Kühlluft mit Umgebungstemperatur in das Gehäuseinnere gelangt, dort durch die Wärme abgebenden Komponenten aufgeheizt wird und dann mit erhöhter Temperatur nach oben entweicht.
Erfindungsgemäß sind im Schaltnetzteil zumindest zwei der fünf dargestellten Thermoelemente 11 bis 15 angeordnet. Die Wahl der Messpunkte hängt dabei von den Anforderungen an das Schaltnetzteil ab.
Für eine Erfassung des allgemeinen Kühlungsverhaltens sind die beiden Thermoelementen 11 und 12 am unteren und am oberen Rand des Gehäuses 1 vorteilhaft. Das untere Thermoelement 11 misst dabei die Temperatur der von unten einströmenden Umgebungsluft und das obere Thermoelement 12 die Temperatur der aufgeheizten Abluft. Dabei werden im Zuge der Entwicklung eines Schaltnetzteils durch Versuche wenigstens zwei Temperaturmuster ermittelt. Als Temperaturmuster wird eine Gruppe der Temperaturen verstanden, die sich bei einem bestimmten Betriebszustand zur gleichen Zeit an den einzelnen Messpunkten ergeben.
Ein optimales Temperaturmuster ergibt sich beispielsweise bei empfohlener Einbaulage und maximal zulässiger Umgebungstemperatur für die volle Leistungsübertragung. Ein zweites Temperaturmuster ergibt sich bei geänderter Einbaulage oder bei zu hoher Umgebungstemperatur. Günstigerweise werden darüber hinaus mehrere Temperaturmuster ermittelt, die sich bei unterschiedlichen Einbaulagen und unterschiedlichen Betriebsbedingungen ergeben.
Die Temperatur der Schaltelementen 5, die in der Regel als Feldeffekt-Transitoren (FET) ausgebildet sind, wird vorteilhafterweise mittels eines direkt daneben angeordneten Thermoelements 13 gemessen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, ein Thermoelement 14 neben dem Transformator 4 und ein Thermoelement 15 neben der Sekundärdiode 6 anzuordnen, um die Temperaturen dieser beiden Komponenten zu messen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind somit fünf Thermoelemente 11 bis 15 vorgesehen, woraus sich als Temperaturmuster einzelne Gruppen von fünf Temperaturen ergeben.
Die in Versuchen ermittelten Temperaturmuster stehen der Steuereinrichtung des Schaltnetzteils zum Vergleich mit den während des Betriebs gemessenen Temperaturen zur Verfügung. Dazu sind beispielsweise ein Speicherelement und ein Microcontroller bzw. ein Digitaler Signalprozessor geeignete Mittel.
Beim Vergleich der gemessenen Temperaturen mit den Temperaturmustern wird jenes Temperaturmuster ermittelt, dass den gemessenen Temperaturen am ehesten entspricht. Das geschieht beispielsweise so, dass zunächst für jeden Messpunkt die einzelnen Differenzwerte zwischen der gemessenen Temperatur eines Messpunkts und den entsprechenden Temperaturen der einzelnen Temperaturmuster ermittelt werden. Für die Gruppe von Differenzwerten eines bestimmten
Temperaturmusters stellt dann die Summe der Differenzwerte ein Minimum dar. Ist für ein Schaltnetzteil aufgrund kritischer Einsatzbedingungen oder aufgrund besonders temperaturempfindlicher Komponenten eine verstärkte Überwachung eines oder mehrerer Messpunkte gefordert, ist es günstig, jene Differenzwerte höher zu gewichten, die diesen Messpunkten zugeordnet sind.
Für den Betrieb des Schaltnetzteils wird jedem Temperaturmuster ein bestimmter Sollzustand zugeordnet. Sinnvoll ist dabei die Vorgabe bestimmter maximal übertragbarer Leistungen. Die Steuereinrichtung des Schaltnetzteils steuert die Schaltelemente also in Abhängigkeit vom momentan am ehesten entsprechenden Temperaturmuster. Auf diese Weise kann ein Schaltnetzteil auch dauerhaft bei thermischer Überlast betrieben werden, indem bei höheren Temperaturen eine geringere übertragbare Leistung vorgegeben wird. Dabei ist günstigerweise ein kritisches Temperaturmuster definiert, bei dem das Schaltnetzteil vollständig abgeschaltet. Das kann beispielsweise bei einem ausgangsseitigen Kurzschluss erforderlich sein, bei dem sich die gemessenen Temperaturen dem kritischen Temperaturmuster annähern. Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht somit in einem selbsttätigen Derating bei ungünstigen thermischen Verhältnissen. Andererseits wird die Möglichkeit geschaffen, bei besonders guten Kühlungsverhältnissen (z.B. bei tiefen Umgebungstemperaturen) eine höhere übertragbare Leistung vorzugeben.
Um eine schnellere Anpassung des Schaltnetzteils an sich verändernde Bedingungen zu bewirken, ist neben dem
Temperaturmuster, das den momentan gemessenen Temperaturen am ehesten entspricht, auch jenes Temperaturmuster ausschlaggebend, zu dem sich die Temperaturverläufe der einzelnen Messpunkte hin entwickeln. Dabei wird laufend überprüft, ob sich die Temperaturen zu einem Temperaturmuster höheren oder niedrigeren Niveaus hin bewegen. Damit ist beispielsweise eine Leistungsreduktion noch vor Erreichung eines kritischen Temperaturmusters möglich, wodurch eventuell ein völliges Abschalten des Schaltnetzteils vermieden werden kann.
Neben der Vorgabe einer maximalen übertragbaren Leistung ist es auch sinnvoll, dem Betriebspersonal durch geeignete optische oder akustische Signale anzuzeigen, dass ein kritischer thermischer Zustand erreicht wird oder erreicht wurde. So kann dem Betriebspersonal beispielsweise angezeigt werden, dass das Schaltelement in einer ungünstigen Lage eingebaut wurde oder dass die Abluftschlitze des Gehäuses 1 abgedeckt sind. Bei einem verkehrt eingebauten Schaltnetzteil sind die gemessenen Temperaturwerte der beiden am Rand befindlichen Thermoelemente 11 und 12 vertauscht. Das heißt, dass das Thermoelement 12, das eigentlich an der Oberseite die wärmere Abluft messen sollte, die Temperatur der kühlen einströmenden Umgebungsluft misst und das andere Thermoelement 11 die warme Abluft. Die thermische Situation entspricht damit am ehesten jenem Temperaturmuster, das während der Entwicklungsphase in einem Versuch mit verkehrt eingebautem Schaltnetzteil ermittelt wurde. Diesem Temperaturmuster ist ein entsprechendes Meldesignal zugeordnet, wodurch die Annäherung der gemessenen Temperaturen an dieses Temperaturmuster signalauslösend ist. Die Einbaulage ist aufgrund der Anordnung der einzelnen Komponenten von Bedeutung. So sollen beispielsweise die Ausgangskondensatoren 10 im kühleren Bereich unterhalb des Transformators 4 liegen.
Für eine differenzierte Auswertung der thermischen
Gegebenheiten ist es günstig, die vorhandenen Messpunkte in mehrere Gruppen zu unterteilen, wobei jeder Gruppe eigene Temperaturmuster zugeordnet sind. In Versuchen werden dann beispielsweise zur Beurteilung des allgemeinen Kühlungsverhaltens und zur Einbaulagebestimmung mehrer
Temperaturmuster für die am Rand befindlichen Thermoelemente 11 und 12 und zur Überwachung der Bauelemente zusätzlich Temperaturmuster für die im Inneren befindlichen Thermoelemente 13 bis 15 ermittelt. Der Betrieb des Schaltnetzteils richtet sich dann nach den thermischen Bedingungen in den einzelnen Gruppen von Messpunkten.
Oft werden Schaltnetzteile bei nicht konstanter Temperatur der Umgebungsluft betrieben. Dabei ist es vorteilhaft, wenn Speichermittel vorgesehen sind, die den Verlauf der gemessenen Temperaturen für spätere Auswertungen abspeichern, Liefert das Schaltnetzteil beispielsweise nicht die gewünschte Leistung, kann das Servicepersonal durch Auswertung des mittels des am unteren Rand angeordneten Thermoelements 11 gemessenen Temperaturverlaufs feststellen, ob dies auf eine zu hohe Temperatur der einströmenden Kühlluft zurückzuführen ist. Die Kühlluft kann dann durch entsprechende Maßnahmen wie eine zusätzliche Schaltschrankbelüftung abgekühlt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines luftgekühlten Schaltnetzteils für industrielle Anwendung, bei dem von im Schaltnetzteil angeordneten Wärmequellen beeinflusste
Temperaturen mittels Thermoelemente (11, 12, 13, 14, 15) gemessen und an eine Steuereinrichtung gemeldet werden, dadurch gekennzeichnet, dass von wenigstens zwei an unterschiedlichen Messpunkten angeordneten Thermoelementen (11, 12, 13, 14, 15) gemessene Temperaturen an die
Steuereinrichtung gemeldet werden und dass die gemessenen Temperaturen mit Temperaturmustern verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Temperaturmuster vorgegeben werden und dass bei Annäherung der gemessenen Temperaturen an eines der Temperaturmuster eine Zustandsänderung des Schaltnetzteils ausgelöst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der übertragbaren Leistung abhängig von Temperaturmustern festgelegt wird und dass bei Annäherung der gemessenen Temperaturen an eines der Temperaturmuster für die übertragbare Leistung jener Wert vorgegeben wird, der für dieses Temperaturmuster festgelegt wurde .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass möglichen Einbaulagen des Schaltnetzteils eigene, durch die Luftkühlung hervorgerufene Temperaturverteilungen als Temperaturmuster zugeordnet werden und dass durch Vergleich der gemessenen Temperaturen mit diesen Temperaturmustern die Einbaulage des Schaltnetzteils festgestellt wird.
5 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , das s die von den Thermoelementen ( 11 , 12 , 13, 14, 15) gemessenen Temperaturen als Temperaturverläufe gespeichert werden.
6. Schaltnetzteil zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei an unterschiedlichen Messpunkten angeordnete Thermoelemente (11, 12, 13, 14, 15) und eine Steuereinrichtung vorgesehen sind und dass die Steuereinrichtung Mittel zum Vergleich der gemessenen Temperaturen mit Temperaturmustern umfasst.
7. Schaltnetzteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Vorgabe von wenigstens zwei Temperaturmustern und zur Erfassung einer Annäherung der gemessenen Temperaturen an eines der Temperaturmuster und zur Veränderung des Zustands des Schaltnetzteils vorgesehen sind.
8. Schaltnetzteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Vorgabe der übertragbaren Leistung vorgesehen sind.
9. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Thermoelemente
(11, 12, 13, 14, 15) in der Weise angeordnet sind, dass sich durch eine Lageänderung des Schaltnetzteils eine Veränderung der gemessenen Temperaturen ergibt.
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