EP3183806A1 - Verfahren und vorrichtung zur totzeitregelung in schaltnetzteilen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur totzeitregelung in schaltnetzteilen

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Publication number
EP3183806A1
EP3183806A1 EP15728507.3A EP15728507A EP3183806A1 EP 3183806 A1 EP3183806 A1 EP 3183806A1 EP 15728507 A EP15728507 A EP 15728507A EP 3183806 A1 EP3183806 A1 EP 3183806A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
dead time
value
overvoltage
tot
voltage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15728507.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Diego ANTONGIROLAMI
Göran SCHUBERT
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.)
Vitesco Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic GmbH
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 Conti Temic Microelectronic GmbH filed Critical Conti Temic Microelectronic GmbH
Publication of EP3183806A1 publication Critical patent/EP3183806A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H02M1/38—Means for preventing simultaneous conduction of switches
    • 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
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1588—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load comprising at least one synchronous rectifier element
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining and / or adjusting, in particular regulation and / or control of a dead time between the opening of a first switching element and the closing of a second switching element in a switching power supply with active freewheel.
  • Switching power supplies for converting a DC input voltage into a supply voltage are often constructed with active freewheel, in which a first switching element is connected in series with a second switching element, wherein the second
  • Switching element takes over the function of the active freewheel.
  • the switching regulator is supplied with the DC input voltage.
  • Parallel to the second switching element an inductor is connected in series with a capacitor.
  • Over the second switching element an output voltage or measurement voltage is tapped.
  • About the capacity of the supply voltage is tapped to supply a consumer.
  • the first and the second switching element are periodically opened and closed, wherein always at least one of the switching elements is open. The ratio of the closing time of the first switching element to the total duration of closing duration and subsequent opening duration of the first
  • Duty cycle is referred to as duty cycle.
  • the duty cycle can be set to a given input DC voltage and a given, parallel to the capacitance connected electrical load a desired supply voltage.
  • the person skilled in various forms of this basic form of a switching power supply with active freewheel are known, for example as a buck converter or step-down converter.
  • Switching elements can be designed as transistors, for example as metal-oxide field-effect transistors (MOSFET). Due to the principle of such MOSFETs can not abrupt, so infinitesimally short switching operations implement, but require for the closing and opening a certain, dependent on the manufacture ⁇ technology and geometry time from a few tenths of a nanosecond up to a few nanoseconds. Furthermore, MOSFETs have technologically caused parasitic diodes between a drain and a source terminal. Such a parasitic diode of the second switching element acts in parallel to the series ⁇ circuit of the inductance and the capacitance across which the supply voltage is tapped.
  • MOSFET metal-oxide field-effect transistors
  • this parasitic inductance Due to the production, due to wire-like or at least elongated metallic connections between the components, such a switching regulator has a parasitic inductance. Due to the recovery behavior of the para-university ⁇ diode of the second switching element, this parasitic inductance can elements dependent on the switching speed of the switch, the input DC voltage and the electric
  • the invention is based on the object to provide a method for determining and / or adjusting the dead time of a switching regulator with active freewheel in a switching power supply, which avoids overvoltage and / or destruction. Furthermore, the invention is based on the object to provide a device for carrying out the method.
  • the object is achieved by the features of claim 1.
  • the object is achieved by the features of claim 10.
  • a measuring ⁇ voltage of the switching power supply via the second switching element are determined and based on the determined measurement voltage, a dead time is varied so that the deviation of the determined measurement voltage is minimized or limited by a desired value.
  • the first and the second switching element in the switching regulator with active freewheel of the switching power supply are driven so that the second
  • the inventive method can be embodied in the manner of a ge ⁇ closed regulation or control of the dead time by the dead time is determined several times in a loop and adjusted. In one embodiment of the method according to the invention, this comprises
  • an initialization of a dead time in a first step, an initialization of a dead time, the initialization of a first overvoltage value of Measuring voltage with an overvoltage starting value greater than or equal to the maximum measurable overvoltage and the initialization of a positive correction direction for the change of the dead time,
  • the process may be continued by repeating the sequence of the second to fifth steps.
  • the dead time value is reduced by the dead time change; in the case of a positive correction direction, the dead time value is increased by the dead time change.
  • the dead time change may be predetermined by a fixed dead time change step size.
  • the dead time is set to an initial value that is at least chosen so that a short-circuit current is avoided by overlapping opening and closing of the first and second switching element. It is possible to initialize the dead time value with a standard dead time value for which it is known that in the case of typical loads connected to the switching regulator it will cause no or only slight overshoot of the measuring voltage, and thus also of the supply voltage.
  • the correction direction is furthermore initialized as a positive correction direction, so that the dead time value is increased by the dead time change step width when an overvoltage occurs.
  • the first overvoltage value is initialized with an overvoltage ⁇ start value.
  • an overvoltage start value can be set, for example, as a maximum representable or maximum storable overvoltage value.
  • the measured voltage measured with the current dead time setting is determined as the second overvoltage value in a measuring time window which is matched to the dead time.
  • a circuit known to the person skilled in the art as a sample-and-hold element or instantaneous value sampling, which circuit can be operated with a trigger signal derived from the drive signals of the switching elements.
  • the measurement voltage can be measured at a point in time approximately at the middle of the dead time.
  • the second overvoltage value is compared with the first overvoltage value. If the second overvoltage value is below the first overvoltage value, the correction direction is maintained. Otherwise, the correction direction is reversed.
  • the dead time is corrected according to the corrective ⁇ direction by the predetermined dead time change step size, that is increased at positive correction direction and reduced at negative correction direction.
  • the second, ie the last measured, overvoltage value is assigned to the first overvoltage value and is thus available for comparison with a subsequent overvoltage value still to be measured in a subsequent pass of the second through fifth steps. If the third step is passed through for the first time, the second overvoltage value measured in the second step is never above the first overvoltage value, which was initialized in the first step with a maximum overvoltage starting value. Thus, for the first pass of the third step, it is ensured that the initialized positive correction direction is maintained.
  • the correction direction from the previous pass is maintained exactly if this correction direction has caused a reduction of the overvoltage, thus improving the behavior of the switching regulator. In all other cases, the correction direction is changed.
  • dead time values are determined with this method, which oscillate around an at least locally optimal dead time value, which is characterized by an at least locally minimum overvoltage value of the measuring voltage.
  • dead time values outside, but in the immediate vicinity of the commutated dead time interval would lead to larger overvoltage values of the measurement voltage.
  • the adverse overvoltage is minimized by the described method.
  • a dead time is in a short-circuit current resul ⁇ advantage, and that in an optimal, namely compared to the setpoint of the measurement voltage not or only minimally increased measurement voltage during the switching of the first and second switching element results.
  • the method leads to dead time values which are immediately around the optimum Float dead time, which leads to a minimum overvoltage value.
  • Such changes generally require a modified optimal deadtime value to minimize the overvoltage.
  • a modified optimal dead time value can be determined at least approximately.
  • the second overvoltage value is determined as the maximum value of the measurement voltage over a complete switching cycle of the switching regulator, wherein such switching cycle is determined by the time between the beginning of a first closing of the first switching element and the beginning a subsequent second closing of the first switching element is determined.
  • the third and fourth steps of the method are omitted when the second overvoltage value is less than or equal to a predetermined overvoltage limit.
  • the at least approximately finding an at least locally optimal dead time value can no longer be guaranteed, but it is sufficient for many practical purposes, if a previously determined
  • Overvoltage limit is not significantly exceeded.
  • this embodiment represents an advantageously simplified method, since in this embodiment, the limitation of the measurement of the overvoltage profile to a predetermined, based on the current dead time measurement time window is omitted.
  • advantageous manner ⁇ characterized a simpler arrangement may be used for the measurement of an overvoltage value.
  • the overvoltage limit value is determined as a function of a predetermined desired value of the measurement voltage. In many significant applications, electrical loads can be supplied with supply voltages, which in a certain amount
  • Corridor by a setpoint of a supply voltage For example, variations of plus or minus ten percent of the setpoint of the supply voltage from such electrical loads may be tolerated. It is therefore not necessary in these cases to limit the overvoltage at the measuring output of a switching power supply to a minimum, but only necessary to avoid exceeding the tolerated corridor of supply voltages. So it is for example possible to determine a surge limit corresponding to 1.05 times the nominal value of the measured voltage when it is known that consumers tolerate fluctuations in the supply voltage ⁇ 10 percent to a target value.
  • a safe operation of consumers with minimal control effort for the dead time is possible.
  • Dead time change determined from the difference between the first and the second overvoltage value.
  • the Totzeit Sung influenced on the one hand the number of passes of the second to fifth steps that are required to bring a dead time in the vicinity of an optimal value ⁇ Tot. For a fast adaptation of the dead time value, therefore, a large dead time change is advantageous.
  • the dead time change affects the width of the interval in which, under steady state conditions, the dead time value determined by the method oscillates around such an optimal dead time value.
  • the dead time change may be determined from the product of the difference between the first and second overvoltage values with a predetermined positive factor. Far from the optimal dead time value sought, a change in the deadtime values results in a large change in the generated
  • Dead time change step size a gain of at least one and a control deviation of the measurement voltage are formed, wherein the control deviation from the difference of the measured second overvoltage value and the predetermined setpoint value of the measurement voltage is formed. It is also possible to increase this error with an exponent of at least one. In an advantageous manner, the result is that a comparatively large dead time change is determined with comparatively large control deviations, while with comparatively small control deviations the dead time is changed only comparatively little.
  • the load current consumed by the load changes over time.
  • Such a change in the load current generally causes a control deviation of the measurement voltage.
  • an adjustment of the dead time is necessary in order to limit undesirable over-voltage to avoid or ⁇ ver. Be gain factor and / or Exponent too small, the control deviation can not be compensated fast enough.
  • the amplification factor and / or the exponent are chosen too large, it is possible to override the measurement voltage by changing the dead time too much.
  • An override of the measuring voltage is also favored by a high capacitive impedance component of the consumer, which causes a temporal offset of the change in the measured voltage with respect to the change in the dead time.
  • the gain factor and the exponent in the described embodiment of the method are adapted to the typical switching behavior of a connected consumer, in particular to the typical speed and the typical amplitude of a change in the recorded load current, and to the capacitive impedance component of the connected consumer.
  • the adaptation is carried out in such a way that a gain factor and an exponent are determined for a specific load, which in the case of typical changes in the recorded load current does not yet cause an override of the measuring voltage, and thus of the supply voltage.
  • the second overvoltage value is determined as the maximum value of the measuring voltage over a complete switching cycle of the switching regulator, wherein such a switching cycle is determined by the time between the beginning of a first closing of the first
  • the third and fourth steps of the method are performed when the second overvoltage value is greater than a predetermined overvoltage limit. If, in a subsequent run of the method, the second overvoltage value is less than or equal to the predetermined one
  • a modified fourth step is performed.
  • the dead time in the correcting direction by a certain step number by a predetermined multiple of the Totzeit Sungs Colourweite is hereby amended ⁇ changed.
  • a change in the dead time to the desired fall below the surge limit ge ⁇ leads, then in a subsequent pass of the method, the dead time is again changed in the same correcting direction by a predetermined multiple of the Totzeit Sungsuzeweite which the product of the Totzeit Sungs- increment with a step number.
  • the third and fourth steps are omitted when the second overvoltage value is less than or equal to the predetermined overvoltage threshold. In other words, the dead time remains unchanged until an overrun of the overvoltage limit is detected again.
  • the inventive device for determining and adjusting, in particular control or control of dead time comprises a measuring unit for measuring the measuring voltage of the switching power supply, a processing unit for calculating a dead time and a control unit for driving the first and second switching element in the switching regulator of the switching power supply.
  • the measuring unit is connected to the processing unit and measures the measuring voltage across the second switching element. From this voltage measurement, the processing unit determines a change in the erfor ⁇ derliche Totzeitwerts by the inventive process.
  • the processing unit is connected to the control unit and designed so that a control signal can be transmitted to the control unit via a connection, from which a required change in the dead time can be derived.
  • the control unit is connected to the first and the second switching ⁇ element.
  • the control unit sets HeidelbergZeitis for switching the first and the second switching element so that there is a dead time between the opening of the first switching ⁇ elements and the closing of the second switching element, which advantageously with the inventive device minimizing or at least limiting a Overvoltage at the measuring output of the switching power supply achieved.
  • control unit is designed to drive MOSFETs.
  • control unit is connected via electrical connections with switching elements designed as MOSFETs.
  • FIG. 1 shows schematically the circuit structure of a switching power supply with an adaptation, for. As regulation, the dead time
  • Figure 2 shows schematically the course of an overvoltage, caused by a too large dead time
  • FIG. 3 schematically shows the course of an overvoltage, caused by too small a dead time
  • Figure 5 shows schematically the course of an overvoltage at a
  • FIG. 6 schematically shows a detailed view of the course of a
  • FIG. 1 shows by way of example and schematically the circuit configuration of a switching power supply 1 with a measuring unit 2, a Ver ⁇ processing unit 3 and a controller 4.
  • the input of the switching power supply 1 is formed by two input contacts 1.1, 1.2, which are powered by a DC input voltage U_IN.
  • the measuring output of the switched-mode power supply 1 is formed by two measuring output contacts 1.3, 1.4, between which a measuring voltage U_out drops.
  • the measuring voltage U_out should assume a desired setpoint U_soll, which lies below the input direct voltage U_in.
  • a first switching element 1.5.1 and a second switching element 1.5.2 are designed as MOSFETs and connected in series.
  • the measuring output contacts 1.3, 1.4 are arranged parallel to the second switching element 1.5.2. Furthermore, between the measuring output contacts 1.3, 1.4, and thus parallel to the second switching element 1.5.2, an inductance L and a capacitance C, which when closing the first switching element is loaded from the input DC voltage source U_ein on ⁇ , connected in series. Parallel with the capacitance C a consumer or load resistance X_L is supplied with the supply voltage ⁇ , which is discharged via the capacity C.
  • the switching elements 1.5.1, 1.5.2 are periodically opened and closed by the control unit 4 in such a way that a dead time t_tot elapses between the opening of the first switching element 1.5.1 and the closing of the second switching element 1.5.2, while the two switching elements 1.5 .1, 1.5.2 are open.
  • the measurement unit 2 is at the measurement output 1.3, 1.4 of the switching power supply 1 connected ⁇ and connected to the processing unit.
  • the processing unit 3 is connected to the Steuerein ⁇ uniform. 4
  • the control unit 4 controls the opening and closing of the switching elements 1.5.1, 1.5.2.
  • the switching elements 1.5.1, 1.5.2 and the connections of the switching regulator 1.5 are electrically characterized by an ohmic resistance, a parasitic inductance and a parasitic capacitance.
  • the parasitic inductances cause About ⁇ vibrate the measurement voltage U_OUT as t_schalt in Figure 2 for a switching time along the time axis t is illustrated within the switching regulator 1.5.
  • t_mess 1.4 of the switching power supply 1 is effected by inducing vibration of the measuring voltage U_OUT, and thus exceeding the target value of the measurement voltage by the overvoltage U_Soll U_ueb the measuring ⁇ output 1.3.
  • the setpoint value of the measuring voltage U_soll is set only after the oscillation has gradually decayed from the overvoltage U_ueb as the stationary value of the measuring voltage U_out. , n
  • Figure 4 shows the flow chart for the inventive method by which minimizes the overvoltage U_ueb or at least re ⁇ is symbolized. The procedure starts at a starting point SO.
  • the dead time will t_tot with a value t_tot_start, a first voltage value over ⁇ U_uebl with a surge start value ⁇ U_ueb_start and a compensation direction d with
  • t_tot t_tot_start
  • the method waits for the switching between the first switching element 1.5.1 and the second switching element 1.5.2, thus for a time or for a period of time at which or during which the first switching element 1.5.1 already open is and the second switching element 1.5.2 is not yet closed.
  • the current value of the measuring voltage U_out is measured, and from this a second overvoltage value U_ueb2 is determined. For example, it is possible to determine a specific time from the control signals generated by the control unit 4 for the first switching element 1.5.1 and the second switching element 1.5.2. The second overvoltage value U_ueb2 can then be measured, for example, as the value of the measurement voltage U_out at this time.
  • a subsequent first decision step El it is checked whether the second overvoltage value U_ueb2 is greater than or equal to the first overvoltage value U_uebl.
  • the correction direction d is maintained and the fourth step S4 is executed immediately after the first decision step El along a negative drain path N.
  • the dead time is t_tot in the corrective ⁇ turcardi a Totzeit Sung d_t_tot changed, expressed as the formula:
  • t tot t tot + d * dt dead.
  • the second overvoltage value U_ueb2 is assigned to the first overvoltage value U_uebl, expressed as a formula:
  • a dead time t_tot is set by the described method, which leads to a minimum or approximately ⁇ approximately minimal second overvoltage value U_ueb2.
  • the dead time t_tot oscillates around an optimum which is associated with a minimum overvoltage, ie with a minimum overshoot of the measuring voltage U_out, which sets the reference value of the Measuring voltage U_soll does not exceed, as shown in Figure 5.
  • the measuring voltage U_out gradually adjusts to the setpoint value U setpoint and reaches it in steady-state steady state.
  • FIG. 6 schematically illustrates the course of the overvoltage U_ueb and the course of the setpoint U_setpoint of the measuring voltage U_out, which sets in the stationary state, as a function of the set dead time t_tot. It can be clearly seen that a certain optimum value t_tot * of the dead time exists, in which the overvoltage U_ueb becomes minimal. It can also be clearly seen that the overvoltage U_ueb for this optimum value of the dead time t_tot * is below the setpoint U setpoint.
  • FIG. 7 shows the flow chart for an embodiment of the method according to the invention, with which the overvoltage U_ueb is limited.
  • the procedure starts at a starting point SO.
  • the sequence of the first step S1 corresponds to the sequence shown in FIG.
  • Switching cycle determined and the second overvoltage value ⁇ assigned wherein such a switching cycle is determined by the time between the beginning of a first closing of the first switching element and the beginning of a subsequent second closing of the first switching element.
  • step E2 it is checked whether the determined in step S2 second surge ⁇ U_ueb2 voltage value less than or equal to a threshold-voltage is U_ueb_grenz. If the second overvoltage value U_ueb2 determined in the modified second step S2 'is less than or equal to the overvoltage limit value U_ueb_grenz, the fifth step S5 is processed along the positive sequence path J as the next step.
  • the sequence of the first decision step El, optionally of the third step S3 and of the fourth step S4 is selected along the negative drain path, as already described in FIG :
  • the fourth step S4 is executed. If the first overvoltage value U_uebl is greater than the second overvoltage value U_ueb2, the correction direction d is maintained and the fourth step S4 is executed immediately after the first decision step El along the negative drain path N.
  • the dead time is t_tot in the corrective ⁇ d turoplasty a Totzeit Sungsuzeweite d_t_tot changed, expressed as the formula:
  • t_tot t_tot + d * d_t_tot.
  • this embodiment of the invention it is possible to carry out a comparatively large change in the dead time t_tot in the case of a large control deviation, and to carry out a comparatively smaller change in the dead time t_tot with a smaller control deviation.
  • an approximately optimal dead time t_tot be set than in a method with a fixed step size, which remains constant regardless of the deviation of the last measured second overvoltage value U_ueb2 from the setpoint of the measurement voltage U_soll ,
  • Concrete values for the amplification factor K and the exponent x are advantageously selected as a function of the impedance and the switching behavior of the connected load X_L. Comparatively large values for the gain factor K be ⁇ act a faster change of the dead time t tot and thus a faster reduction of the control deviation than comparatively low values for the amplification factor K. However, an overshoot of the measuring voltage U_out can be caused if the amplification factor K exceeds a certain limit value.
  • a gain K in the range of about 1 to about 10 is chosen.
  • the nonlinearity of the regulation of the measuring voltage U_off can be controlled.
  • exponent x above 1 via a proportional change in the dead time ⁇ t_tot is effected with large control deviations.
  • Verrin ⁇ delay the deviation is achieved in an advantageous manner as with an exponent x of 1.
  • an overshoot of the measurement voltage U_OUT can be effected if the exponent x exceeds a certain limit.
  • an exponent x in the range of about 1 to about 5 is chosen.
  • the amplification factor K and the exponent x can initially be increased until an overshoot of the measurement voltage U_out is observed. Thereafter, the values thus found to be reduced by a predetermined amount in order to achieve a safe operation of the process without any overshoot of the measurement voltage U from ⁇ .
  • the second surge voltage value ⁇ U_ueb2 is assigned to the first overvoltage value U_uebl, expressed as the formula:
  • U uebl: U ueb2.
  • the process is continued with any number of repetitions of the process from the second to the fifth step S2 to S5.
  • a dead time t_tot such that an overvoltage limit U_ueb_grenz is not substantially exceeded.
  • the dead time is ⁇ t_tot in the compensation direction d changed so that a decrease in measured second overvoltage value U_ueb2 occurs.
  • the change in the dead time t_tot is set as soon as the overvoltage limit value U_ueb_grenz has been reached or fallen below and only resumed when the
  • Overvoltage limit U_ueb_grenz is exceeded again.
  • This embodiment of the method can thus be implemented with a lower expenditure on components such as comparators.
  • FIG. 8 shows the flow chart for a further embodiment of the method in which the overvoltage U_ueb is limited.
  • the procedure starts at a starting point SO.
  • the first step Sl, the modified second step S2 'and the second decision-making step ⁇ E2 are run through in the same way as described by Figure 7 embodiment of the method. If the second overvoltage value U_ueb_limit determined in the modified second step S2 'is greater than the overvoltage limit value U_ueb_grenz, an iteration number Z is set to 0 along the negative flow path N in a subsequent sixth step S6, expressed as a formula:
  • the iteration number Z describes how often the method has been run since the last time the predetermined overvoltage limit value U_ueb_grenz was exceeded. Subsequent to the sixth step S6, the flow of the first decision step El, optionally of the third
  • the first decision step El is checked whether the second overvoltage value U_ueb2 is less than or equal to the first
  • the correction direction d is maintained and the fourth step S4 is executed immediately after the first decision step El along the negative drain path N.
  • the dead time is t_tot in the corrective ⁇ d turraum the Totzeit Sungs Colourweite d_t_tot changed, expressed as the formula:
  • t_tot t_tot + d * d_t_tot.
  • the fifth step S5 is executed as already described for FIG. 4, and subsequently the modified second step S2 'is continued.
  • step S7 it is checked in a third decision step E3 whether the iteration number Z is greater than 1. If the iteration number Z is greater than 1, the fifth step S5 is processed along a positive flow path J as the next step, as already described for FIG. 4, and subsequently with the modified second one
  • Step S2 continued.
  • a modified fourth step S4 ' is processed along a negative flow path N as the next step.
  • the dead time t_tot in the correction direction d is changed by the dead time change step size d_t_tot multiplied by a predetermined number of steps n, expressed as a formula:
  • t_tot d * n * d_t_tot.
  • a change in the dead time t_tot by a predetermined amount n * d_t_tot in the same direction is again carried out in the case of a passage following a change in the dead time t_tot in the fourth step S4.
  • the fifth step S5 is executed as already described for FIG. 4 and subsequently with the modified second one
  • Step S2 continued.
  • Step S5 processed as already described for Figure 4 and subsequently proceeded ⁇ with the modified second step S2 '.
  • the embodiment of the method illustrated in FIG. 8 permits a particularly rapid and stable reduction of a control deviation during a load change without continuous measurement of the measuring voltage U_out, if the switching behavior of a supplied consumer X_L can be determined in advance.
  • particularly simple and stable switching power supplies can be developed, which by adjusting the gain K and / or the exponent x and / or the step number n easy for the supply of consumers X_L with different, but well-known

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung einer Totzeit (t_tot) zwischen dem Beginn des Öffnens eines ersten Schaltelements (1.5.1) und dem Beginn des Schließens eines in Reihe geschalteten zweiten Schaltelements (1.5.2) in einem Schaltregler (1.5) eines Schaltnetzteils (1), umfassend: - wobei eine Messspannung (U_aus) über dem zweiten Schaltelement (1.5.2) gemessen wird, und - wobei die Totzeit (t_tot) so variiert wird, dass die Abweichung der gemessenen Messspannung (U_aus) von einem Sollwert (U_soll) der Messspannung minimiert oder begrenzt wird, und - wobei das erste und das zweite Schaltelement (1.5.1, 1.5.2) mit der so ermittelten Totzeit (t_tot) angesteuert werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, umfassend eine Messeinheit (2), eine Verarbeitungseinheit (3) und eine Steuereinheit (4).

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Totzeitregelung in Schaltnetzteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Anpassung, insbesondere Regelung und/oder Steuerung einer Totzeit zwischen dem Öffnen eines ersten Schaltelements und dem Schließen eines zweiten Schaltelements in einem Schaltnetzteil mit aktivem Freilauf.
Schaltnetzteile zur Wandlung einer Eingangsgleichspannung in eine Versorgungsspannung werden häufig mit aktivem Freilauf aufgebaut, in der ein erstes Schaltelement in Reihe mit einem zweiten Schaltelement geschaltet ist, wobei das zweite
Schaltelement die Funktion des aktiven Freilaufs übernimmt. Der Schaltregler wird mit der Eingangsgleichspannung versorgt. Parallel zum zweiten Schaltelement ist eine Induktivität in Reihe mit einer Kapazität geschaltet. Über dem zweiten Schaltelement wird eine Ausgangsspannung oder Messspannung abgegriffen. Über der Kapazität wird die Versorgungsspannung zur Versorgung eines Verbrauchers abgegriffen. Das erste und das zweite Schaltelement werden periodisch geöffnet und geschlossen, wobei stets mindestens eines der Schaltelemente geöffnet ist. Das Verhältnis der Schließdauer des ersten Schaltelements zur Gesamtdauer aus Schließdauer und nachfolgender Öffnungsdauer des ersten
Schaltelements wird als Tastverhältnis bezeichnet. Über das Tastverhältnis kann zu einer gegebenen Eingangsgleichspannung und einem gegebenen, parallel zur Kapazität geschalteten elektrischen Verbraucher eine gewünschte Versorgungsspannung eingestellt werden. Dem Fachmann sind verschiedene Ausprägungen dieser Grundform eines Schaltnetzteils mit aktivem Freilauf bekannt, beispielsweise als Abwärtswandler oder Tiefsetzsteller .
Die Zeitspanne zwischen dem Öffnen des ersten Schaltelements und dem Schließen des zweiten Schaltelements, während der mithin beide Schaltelemente geöffnet sind, wird als Totzeit bezeichnet. Schaltelemente können als Transistoren, beispielsweise als Metalloxid-Feldeffekt-Transistoren (MOSFET) ausgebildet sein. Prinzipbedingt können derartige MOSFET keine abrupten, also infinitesimal kurzen Schaltvorgänge umsetzen, sondern benötigen für das Schließen und Öffnen eine gewisse, von der Herstel¬ lungstechnologie und Geometrie abhängige Zeitdauer von einigen Zehntel Nanosekunden bis zu einigen Nanosekunden . Ferner weisen MOSFETs technologisch bedingt parasitäre Dioden zwischen einem Drain- und einem Sourceanschluss auf. Eine derartige parasitäre Diode des zweiten Schaltelements wirkt parallel zur Reihen¬ schaltung aus der Induktivität und der Kapazität, über der die Versorgungsspannung abgegriffen wird.
Herstellungsbedingt, aufgrund drahtartiger oder wenigstens langgestreckter metallischer Verbindungen zwischen den Bauelementen, weist ein solcher Schaltregler eine parasitäre Induktivität auf. Aufgrund des Recovery-Verhaltens der para¬ sitären Diode des zweiten Schaltelements kann diese parasitäre Induktivität abhängig von der Schaltgeschwindigkeit der Schalt- elemente, der Eingangsgleichspannung und dem elektrischen
Verbraucher parallel zur Kapazität bei einer zu großen Totzeit zwischen den Schaltvorgängen zu Resonanzerscheinungen führen, wodurch die Ausgangsspannung oder Messspannung, und damit auch die Versorgungsspannung, von Spannungsspitzen überlagert wird. Diese Spannungsspitzen können als temporäre Überspannung beobachtet werden. Die temporäre Überspannung und eine damit einhergehende temporäre Stromüberhöhung führen zu einer unerwünscht hohen elektrischen Emission. Ferner kann eine zu geringe Totzeit dazu führen, dass sich die Abschaltphase des ersten Schaltelements und die Einschaltphase des zweiten Schaltelements überlappen. Eine solche Überlappung bewirkt zunächst ebenfalls eine Überspannung am Messausgang des Schaltreglers. Bei einer weiteren Verringerung der Totzeit ist ein hoher Kurzschlussstrom durch beide Schaltelemente möglich, der zu einer Zerstörung der Schaltelemente führen kann. ^
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Anpassung der Totzeit eines Schaltreglers mit aktivem Freilauf in einem Schaltnetzteil anzugeben, das eine Überspannung und/oder eine Zerstörung vermeidet. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung und/oder Anpassung einer Totzeit zwischen dem Beginn des Öffnens eines ersten Schaltelements und dem Beginn des Schließens eines in Reihe geschalteten zweiten Schaltelements in einem Schaltregler mit aktivem Freilauf eines Schaltnetzteils werden eine Mess¬ spannung des Schaltnetzteils über dem zweiten Schaltelement bestimmt und anhand der bestimmten Messspannung eine Totzeit so variiert, dass die Abweichung der ermittelten Messspannung von einem Sollwert minimiert oder begrenzt wird. Das erste und das zweite Schaltelement in dem Schaltregler mit aktivem Freilauf des Schaltnetzteils werden so angesteuert, dass das zweite
Schaltelement um die ermittelte Totzeit verzögert nach dem Öffnen des ersten Schaltelements geschlossen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei in Art einer ge¬ schlossenen Regelung oder Steuerung der Totzeit ausgeführt sein, indem die Totzeit in einer Schleife mehrfach ermittelt und angepasst wird. In einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses
in einem ersten Schritt eine Initialisierung einer Totzeit, die Initialisierung eines ersten Überspannungswerts der Messspannung mit einem Überspannungsstartwert größer oder gleich der maximal messbaren Überspannung und die Initialisierung einer positiven Korrekturrichtung für die Änderung der Totzeit,
- in einem zweiten Schritt die Messung eines zweiten Überspannungswerts in einem auf die Totzeit abgestimmten Mess¬ zeitfenster,
in einem dritten Schritt die Umkehrung der Korrekturrichtung, falls der zweite Überspannungswert größer ist als der erste Überspannungswert,
in einem vierten Schritt die Änderung des Totzeitwertes in der Korrekturrichtung um einen Totzeitänderung und
in einem fünften Schritt die Überschreibung des ersten Überspannungswerts mit dem zweiten Überspannungswert.
Optional kann das Verfahren durch Wiederholung der Abfolge des zweiten bis fünften Schritts fortgesetzt werden. Bei negativer Korrekturrichtung wird der Totzeitwert um die Totzeitänderung verringert, bei positiver Korrekturrichtung wird der Totzeitwert um die Totzeitänderung erhöht. Die Totzeitänderung kann durch eine feste Totzeitänderungsschrittweite vorbestimmt sein.
Im ersten Schritt wird die Totzeit auf einen initialen Wert festgelegt, der mindestens so groß gewählt ist, dass ein Kurzschlussstrom durch überlappendes Öffnen und Schließen des ersten und zweiten Schaltelements vermieden wird. Es ist möglich, den Totzeitwert mit einem Normtotzeitwert zu initialisieren, für den bekannt ist, dass er bei typischen am Schaltregler angeschlossenen Verbrauchern kein oder nur geringes Überschwingen der Messspannung, und damit auch der Versorgungsspannung be- wirkt.
Im ersten Schritt wird ferner die Korrekturrichtung als positive Korrekturrichtung initialisiert, so dass beim Auftreten einer Überspannung der Totzeitwert um die Totzeitänderungsschritt- weite vergrößert wird.
Der erste Überspannungswert wird mit einem Überspannungs¬ startwert initialisiert. Ein solcher Überspannungsstartwert kann beispielsweise als maximal darstellbarer oder als maximaler speicherbarer Überspannungswert festgelegt werden.
Im zweiten Schritt wird die mit der aktuellen TotZeiteinstellung gemessene Messspannung in einem auf die Totzeit abgestimmten Messzeitfenster als zweiter Überspannungswert ermittelt.
Es ist möglich, hierzu eine dem Fachmann als Abtast-Halte-Glied oder Momentanwertabtastung bekannte Schaltung einzusetzen, welche mit einem von den Ansteuersignalen der Schaltelemente abgeleitetem Triggersignal betrieben werden kann. So kann beispielsweise die Messspannung zu einem näherungsweise in der Mitte der Totzeit gelegenen Zeitpunkt gemessen werden. Es ist aber auch möglich, als zweiten Überspannungswert den Maximalwert des Spannungsverlaufs am Messausgang des Schalt¬ reglers während einer vorbestimmten Zeitspanne, beispielsweise mit oder unmittelbar nach dem Öffnen des ersten Schaltelements beginnenden Zeitintervalls, zu ermitteln.
Im dritten Schritt wird der zweite Überspannungswert mit dem ersten Überspannungswert verglichen. Liegt der zweite Über¬ spannungswert unter dem ersten Überspannungswert, so wird die Korrekturrichtung beibehalten. Andernfalls wird die Korrek- turrichtung umgekehrt.
Im vierten Schritt wird die Totzeit entsprechend der Korrek¬ turrichtung um die vorbestimmte Totzeitänderungsschrittweite korrigiert, also bei positiver Korrekturrichtung erhöht und bei negativer Korrekturrichtung verringert.
Im fünften Schritt wird der zweite, also der zuletzt gemessene, Überspannungswert dem ersten Überspannungswert zugewiesen und steht damit für einen Vergleich mit einem nachfolgenden, noch zu messenden Überspannungswert in einem nachfolgenden Durchlauf des zweiten bis fünften Schritts zur Verfügung. Wird der dritte Schritt erstmalig durchlaufen, so liegt der im zweiten Schritt gemessene zweite Überspannungswert nie über dem ersten Überspannungswert, welcher im ersten Schritt mit einem maximalen Überspannungsstartwert initialisiert wurde. Somit ist für den ersten Durchlauf des dritten Schritts sichergestellt, dass die initialisierte positive Korrekturrichtung beibehalten wird .
Für nachfolgende Durchläufe des dritten Schritts wird dagegen die Korrekturrichtung aus dem vorangegangenen Durchlauf genau dann beibehalten, wenn diese Korrekturrichtung eine Verringerung der Überspannung, mithin eine Verbesserung des Verhaltens des Schaltreglers bewirkt hat. In allen anderen Fällen wird die Korrekturrichtung geändert.
In vorteilhafter Weise werden mit diesem Verfahren Totzeitwerte ermittelt, die um einen mindestens lokal optimalen Totzeitwert pendeln, der durch einen mindestens lokal minimalen Überspannungswert der Messspannung gekennzeichnet ist. Mit anderen Worten: Totzeitwerte außerhalb, aber in unmittelbarer Nähe des durchpendelten Totzeitwert-Intervalls würden zu größeren Überspannungswerten der Messspannung führen. Somit wird die nachteilige Überspannung durch das beschriebene Verfahren minimiert .
Für praktische Zwecke kann näherungsweise angenommen werden, dass zwischen einem hohen Überspannungswert bewirkt durch eine zu niedrige Totzeit, welche in einem Kurzschlussstrom resul¬ tiert, und einem hohen Überspannungswert bewirkt durch eine zu große Totzeit, welche in einem Überschwingen resultiert, ein Totzeitwert liegt, der in einer optimalen, nämlich gegenüber dem Sollwert der Messspannung nicht oder nur minimal erhöhten Messspannung während des Umschaltens des ersten und zweiten Schaltelements resultiert.
Für diese praktisch besonders bedeutsame Näherung führt das Verfahren auf Totzeitwerte, die unmittelbar um die optimale Totzeit pendeln, welche zu einem minimalen Überspannungswert führt .
Dies ist besonders vorteilhaft bei Änderungen des Laststroms, der von einem durch das Schaltnetzteil versorgten Verbraucher aufgenommen wird, oder bei Änderungen der Impedanz, insbesondere des kapazitiven Impedanzanteils eines solchen Verbrauchers. Derartige Änderungen erfordern im Allgemeinen einen veränderten optimalen Totzeitwert zur Minimierung der Überspannung. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein solcher veränderter optimaler Totzeitwert mindestens näherungsweise ermittelt werden .
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in einem den zweiten Schritt ersetzenden modifizierten zweiten Schritt der zweite Überspannungswert als Maximalwert der Messspannung über einen kompletten Schaltzyklus des Schaltreglers ermittelt, wobei ein solcher Schaltzyklus durch die Zeit zwischen dem Beginn eines ersten Schließens des ersten Schaltelements und dem Beginn eines nachfolgenden zweiten Schließens des ersten Schaltelements bestimmt ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung entfallen der dritte und der vierte Schritt des Verfahrens dann, wenn der zweite Überspannungswert kleiner oder gleich einem vorbestimmten Überspannungsgrenzwert ist.
Zwar kann bei dieser Ausführungsform der Erfindung das mindestens näherungsweise Auffinden eines mindestens lokal optimalen Totzeitwerts nicht mehr garantiert werden, jedoch reicht es für viele praktische Zwecke aus, wenn ein vorher bestimmter
Überspannungsgrenzwert nicht wesentlich überschritten wird. Für solche Anwendungszwecke stellt diese Ausführungsform ein in vorteilhafter Weise vereinfachtes Verfahren dar, da bei dieser Ausführungsform die Begrenzung der Messung des Überspannungsverlaufs auf ein vorbestimmtes, an dem aktuellen Tot- Zeitwert orientiertes Messzeitfenster entfällt. In vorteil¬ hafter Weise kann dadurch eine einfachere Anordnung zur Messung eines Überspannungswertes verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Überspannungsgrenzwert in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert der Messspannung bestimmt. In vielen bedeutsamen Anwendungsfällen können elektrische Verbraucher mit Versor- gungsspannungen versorgt werden, welche in einem gewissen
Korridor um einen Sollwert einer Versorgungsspannung liegen. Beispielsweise können Schwankungen von plus oder minus zehn Prozent des Sollwertes der Versorgungsspannung von solchen elektrischen Verbrauchern toleriert werden. Es ist daher in diesen Fällen nicht notwendig, die Überspannung am Messausgang eines Schaltnetzteils auf ein Minimum zu begrenzen, sondern nur notwendig, ein Überschreiten des tolerierten Korridors von Versorgungsspannungen zu vermeiden. So ist es beispielsweise möglich, einen Überspannungsgrenzwert festzulegen, der dem 1,05-fachen des Sollwerts der Messspannung entspricht, wenn bekannt ist, dass Verbraucher Schwankungen der Versorgungs¬ spannung von 10 Prozent um einen Sollwert tolerieren. In vorteilhafter Weise ist damit ein sicherer Betrieb von Verbrauchern bei gleichzeitig minimalem Regelungsaufwand für die Totzeit möglich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die
Totzeitänderung aus der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Überspannungswert ermittelt.
Die Totzeitänderung beeinflusst zum einen die Anzahl der Durchläufe des zweiten bis fünften Schritts, die erforderlich sind, um einen Totzeitwert in die Nähe eines optimalen Tot¬ zeitwerts zu bringen. Für eine schnelle Anpassung des Tot- Zeitwerts ist somit eine große Totzeitänderung vorteilhaft.
Zum anderen beeinflusst die Totzeitänderung die Breite des Intervalls, in welchem unter stationären Bedingungen der von dem Verfahren ermittelte Totzeitwert um einen solchen optimalen Totzeitwert pendelt. Für eine genaue Anpassung des Totzeitwerts an dieses Optimum ist somit eine kleine Totzeitänderung vorteilhaft . Beispielsweise kann die Totzeitänderung ermittelt werden aus dem Produkt der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Überspannungswert mit einem vorbestimmten positiven Faktor. Weitab vom gesuchten optimalen Totzeitwert führt eine Änderung der Totzeitwerte zu einer großen Änderung der erzeugten
Überspannungswerte, somit zu einer großen Totzeitänderung und somit zu einer raschen Annäherung an den gesuchten optimalen Totzeitwert. In der Nähe des gesuchten optimalen Totzeitwerts führt hingegen die Variation der Totzeitwerte nur zu einer geringen Änderung der erzeugten Überspannungswerte, somit zu einer geringen Totzeitänderung und somit zu einer genauen Anpassung des Totzeitwerts an den gesuchten optimalen Tot- zeitwert . Diese Ausführungsform der Erfindung kombiniert somit in vorteilhafter Weise eine hohe Anpassungsgeschwindigkeit mit einer hohen Genauigkeit der Annäherung an diesen optimalen Tot- zeitwert . Die Totzeitänderung kann zudem mit als Produkt aus einer
Totzeitänderungsschrittweite, einem Verstärkungsfaktor von mindestens eins sowie einer Regelabweichung der Messspannung gebildet werden, wobei die Regelabweichung aus der Differenz aus dem gemessenen zweiten Überspannungswert und dem vorgegebenen Sollwert der Messspannung gebildet wird. Es ist auch möglich, diese Regelabweichung mit einem Exponenten von mindestens eins zu potenzieren. In vorteilhafter Weise wird damit bewirkt, dass bei vergleichsweise großen Regelabweichungen auch eine vergleichsweise großen Totzeitänderung ermittelt wird, während bei vergleichsweise geringen Regelabweichungen die Totzeit nur vergleichsweise wenig geändert wird.
Es ist möglich, dass sich der von dem Verbraucher aufgenommene Laststrom zeitlich ändert. Eine solche Änderung des Laststroms bewirkt im Allgemeinen eine Regelabweichung der Messspannung. Zur Begrenzung dieser Regelabweichung ist eine Anpassung der Totzeit notwendig, um eine unerwünschte Überspannung zu ver¬ meiden oder zu begrenzen. Werden Verstärkungsfaktor und/oder Exponent zu klein gewählt, so kann die Regelabweichung nicht schnell genug ausgeglichen werden. Werden Verstärkungsfaktor und/oder Exponent zu groß gewählt, so ist eine Übersteuerung der Messspannung durch eine zu große Änderung der Totzeit möglich. Eine Übersteuerung der Messspannung wird ebenfalls durch einen hohen kapazitiven Impedanzanteil des Verbrauchers begünstigt, der einen zeitlichen Versatz der Änderung der Messspannung gegenüber der Änderung der Totzeit bewirkt. In vorteilhafter Weise werden daher der Verstärkungsfaktor und der Exponent in der beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens an das typische Schaltverhalten eines angeschlossenen Verbrauchers, insbesondere an die typische Geschwindigkeit und die typische Amplitude einer Änderung des aufgenommenen Laststroms, sowie an den kapazitiven Impedanzanteil des angeschlossenen Verbrauchers angepasst. Die Anpassung erfolgt so, dass ein Verstärkungsfaktor und ein Exponent für einen bestimmten Verbraucher ermittelt werden, welche bei typischen Änderungen des aufgenommenen Laststroms noch keine Übersteuerung der Messspannung, und damit der Versorgungsspannung, bewirken.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird im zweiten Schritt der zweite Überspannungswert als Maximalwert der Messspannung über einen kompletten Schaltzyklus des Schalt- reglers ermittelt, wobei ein solcher Schaltzyklus durch die Zeit zwischen dem Beginn eines ersten Schließens des ersten
Schaltelements und dem Beginn eines nachfolgenden zweiten Schließens des ersten Schaltelements bestimmt ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden der dritte und der vierte Schritt des Verfahrens ausgeführt, wenn der zweite Überspannungswert größer als ein vorbestimmter Überspannungsgrenzwert ist. Wenn in einem nachfolgenden Durchlauf des Verfahrens der zweite Überspannungswert kleiner oder gleich dem vorbestimmten
Überspannungsgrenzwert ist, so wird anstelle des dritten und vierten Schrittes ein modifizierter vierter Schritt ausgeführt. In diesem modifizierten vierten Schritt wird die Totzeit in der Korrekturrichtung um ein durch eine vorbestimmte Schrittzahl bestimmtes Vielfaches der Totzeitänderungsschrittweite geän¬ dert. Mit anderen Worten: hat eine Änderung der Totzeit zu der gewünschten Unterschreitung des Überspannungsgrenzwerts ge¬ führt, so wird in einem nachfolgenden Durchlauf des Verfahrens die Totzeit nochmals in der gleichen Korrekturrichtung um ein vorbestimmtes Vielfaches der Totzeitänderungsschrittweite geändert, welches sich als Produkt der Totzeitänderungs- Schrittweite mit einer Schrittzahl ergibt.
In allen darauffolgenden Durchläufen des Verfahrens entfallen bei dieser Ausführungsform der dritte und der vierte Schritt, wenn der zweite Überspannungswert kleiner oder gleich dem vorbestimmten Überspannungsgrenzwert ist. Mit anderen Worten: die Totzeit bleibt unverändert, bis erneut eine Überschreitung des Überspannungsgrenzwerts festgestellt wird.
In vorteilhafter Weise wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung mittels einer nochmaligen Änderung der Totzeit in
Richtung einer zuvor erfolgreich durchgeführten Totzeitänderung eine weitere Verringerung der Regelabweichung dann erzielt, wenn dieses Totzeitänderung durch Wahl der Schrittzahl an das typische Schaltverhalten des versorgten Verbrauchers angepasst ist. Die Anpassung kann in ähnlicher Weise wie die Anpassung des Verstärkungsfaktors und des Exponenten durch Wahl einer Schrittzahl erfolgen, bei welcher bei typischen Änderungen des aufgenommenen Laststroms noch keine Übersteuerung der Messspannung bewirkt wird .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung und Anpassung, insbesondere Regelung oder Steuerung der Totzeit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst eine Messeinheit zur Messung der Messspannung des Schaltnetzteils, eine Verarbeitungseinheit zur Berechnung einer Totzeit sowie eine Steuereinheit zur Ansteuerung des ersten und zweiten Schaltelements in dem Schaltregler des Schaltnetzteils. Die Messeinheit ist mit der Verarbeitungseinheit verbunden und misst die Messspannung über dem zweiten Schaltelement. Aus dieser Messspannung ermittelt die Verarbeitungseinheit eine erfor¬ derliche Änderung des Totzeitwerts nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Verarbeitungseinheit ist mit der Steuereinheit verbunden und so ausgebildet, dass über eine Verbindung ein Steuersignal an die Steuereinheit übertragbar ist, aus welchem eine erforderliche Änderung der Totzeit abgeleitet werden kann.
Die Steuereinheit ist mit dem ersten und dem zweiten Schalt¬ element verbunden. Die Steuereinheit legt SchaltZeitpunkte für das Umschalten des ersten und des zweiten Schaltelements so fest, dass sich eine Totzeit zwischen dem Öffnen des ersten Schalt¬ elements und dem Schließen des zweiten Schaltelements ergibt, die in vorteilhafter Weise mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Minimierung oder mindestens Beschränkung einer Überspannung am Messausgang des Schaltnetzteils erzielt.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Steuereinheit zur Ansteuerung von MOSFETs ausgebildet. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit über elektrische Verbindungen mit als MOSFETs ausgebildeten Schaltelementen verbunden. In vorteilhafter Weise ist damit die Ansteuerung von besonders gebräuchlichen
Schaltreglern in Schaltnetzteilen besonders einfach und kostengünstig möglich. Weitere Details und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen: Figur 1 schematisch den Schaltungsaufbau eines Schaltnetzteils mit einer Anpassung, z. B. Regelung, der Totzeit, Figur 2 schematisch den Verlauf einer Überspannung, bewirkt durch eine zu große Totzeit, Figur 3 schematisch den Verlauf einer Überspannung, bewirkt durch eine zu geringe Totzeit,
Figur 4 den Ablaufplan für ein Verfahren zur Minimierung der
Überspannung mittels Totzeitregelung,
Figur 5 schematisch den Verlauf einer Überspannung bei einem
Verfahren zur Minimierung der Überspannung mittels
Totzeitregelung,
Figur 6 schematisch eine Detailansicht des Verlaufs einer
Überspannung bei einem Verfahren zur Minimierung der Überspannung mittels Totzeitregelung,
Figur 7 den Ablaufplan für ein Verfahren zur Begrenzung der
Überspannung mittels Totzeitregelung sowie Figur 8 den Ablaufplan für ein Verfahren zur Begrenzung der
Überspannung mittels Totzeitregelung und Totzeit- Steuerung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 1 zeigt beispielhaft und schematisch den Schaltungsaufbau eines Schaltnetzteils 1 mit einer Messeinheit 2, einer Ver¬ arbeitungseinheit 3 und einer Steuereinheit 4. Der Eingang des Schaltnetzteils 1 wird durch zwei Eingangskontakte 1.1, 1.2 gebildet, die von einer Eingangsgleichspannung U_ein gespeist werden. Der Messausgang des Schaltnetzteils 1 wird durch zwei Messausgangskontakte 1.3, 1.4 gebildet, zwischen denen eine Messspannung U_aus abfällt. Die Messspannung U_aus soll einen gewünschten Sollwert U_soll annehmen, welcher unterhalb der Eingangsgleichspannung U_ein liegt.
In einem eingangsseitigen Schaltregler 1.5 mit aktivem Freilauf des Schaltnetzteils 1 sind ein erstes Schaltelement 1.5.1 und ein zweites Schaltelement 1.5.2 als MOSFET ausgebildet und in Reihe geschaltet. Die Messausgangskontakte 1.3, 1.4 sind pa- rallel zum zweiten Schaltelement 1.5.2 angeordnet. Ferner sind zwischen den Messausgangskontakten 1.3, 1.4, und somit parallel zum zweiten Schaltelement 1.5.2, eine Induktivität L und eine Kapazität C, welche beim Schließen des ersten Schaltele- ments 1.5.1 von der Eingangsgleichspannungsquelle U_ein auf¬ geladen wird, in Reihe geschaltet. Parallel zur Kapazität C wird ein Verbraucher oder Lastwiderstand X_L mit der Versorgungs¬ spannung versorgt, über welchen die Kapazität C entladen wird.
Die Schaltelemente 1.5.1, 1.5.2 werden von der Steuereinheit 4 periodisch öffnend und schließend so angesteuert, dass zwischen dem Öffnen des ersten Schaltelements 1.5.1 und dem Schließen des zweiten Schaltelements 1.5.2 eine Totzeit t_tot verstreicht, während der beide Schaltelemente 1.5.1, 1.5.2 geöffnet sind.
Es ist möglich, dass das erste und das zweite Schaltele¬ ment 1.5.1, 1.5.2 auf demselben Halbleiterchip angeordnet sind . Die Messeinheit 2 ist am Messausgang 1.3, 1.4 des Schalt¬ netzteils 1 angeschlossen und mit der Verarbeitungseinheit 3 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 3 ist mit der Steuerein¬ heit 4 verbunden. Die Steuereinheit 4 steuert das Öffnen und Schließen der Schaltelemente 1.5.1, 1.5.2.
Die Schaltelemente 1.5.1, 1.5.2 sowie die Verbindungen des Schaltreglers 1.5 sind elektrisch durch einen Ohmschen Widerstand, eine parasitäre Induktivität und eine parasitäre Kapazität gekennzeichnet.
Bei einer sehr großen Totzeit t_tot bewirken die parasitären Induktivitäten innerhalb der Schaltreglers 1.5 ein Über¬ schwingen der Messspannung U_aus, wie es in Figur 2 für einen UmschaltZeitpunkt t_schalt entlang der Zeitachse t dargestellt ist. Innerhalb eines Messzeitfensters t_mess wird am Mess¬ ausgang 1.3, 1.4 des Schaltnetzteils 1 durch Induktion ein Schwingen der Messspannung U_aus, und damit ein Überschreiten der Sollwerts der Messspannung U_soll durch die Überspannung U_ueb bewirkt. Der Sollwert der Messspannung U_soll stellt sich erst nach allmählichem Abklingen der Schwingung von der Überspannung U_ueb als stationärer Wert der Messspannung U_aus ein . , n
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Die Schaltvorgänge in den Schaltelementen 1.5.1, 1.5.2 verlaufen nicht abrupt, vielmehr wird beim Öffnen während einer Öffnungsphase die Stromstärke allmählich verringert und beim Schließen während einer Schließphase allmählich erhöht. Bei einer sehr kleinen Totzeit t_tot überlappen sich die Öffnungsphase des ersten Schaltelements 1.5.1 und die Schließphase des zweiten Schaltelements 1.5.2. Dadurch wird ein Überschreiten der Sollwerts U_soll der Messspannung, mithin eine Überspannung U_ueb bewirkt, wie in Figur 3 dargestellt.
Figur 4 zeigt den Ablaufplan für das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem die Überspannung U_ueb minimiert oder mindestens re¬ duziert wird. Das Verfahren startet in einem Startpunkt SO.
In einem daran anschließenden ersten Schritt Sl werden die Totzeit t_tot mit einem Wert t_tot_start, ein erster Über¬ spannungswert U_uebl mit einem Überspannungsstart¬ wert U_ueb_start sowie eine Korrekturrichtung d mit dem
Startwert 1 initialisiert, in Formeln ausgedrückt:
t_tot := t_tot_start
d := 1,
wobei der Operator := die Zuweisung eines rechts stehenden Wertes auf eine links stehende Variable notiert. Ferner wird in dem ersten Schritt Sl ein erster Überspannungswert U_uebl in einem Messfenster t_mess zwischen der Umschaltung des ersten
Schaltelements 1.5.1 und der Umschaltung des zweiten Schalt¬ elements 1.5.2 als Maximalwert der Messspannung U_aus gemessen.
In einem daran anschließenden zweiten Schritt S2 wartet das Verfahren auf das Umschalten zwischen dem ersten Schaltelement 1.5.1 und dem zweiten Schaltelement 1.5.2 , mithin auf einen Zeitpunkt oder auf eine Zeitspanne, zu dem oder während der das erste Schaltelement 1.5.1 bereits geöffnet ist und das zweite Schaltelement 1.5.2 noch nicht geschlossen ist.
Zu diesem Zeitpunkt oder während dieser Zeitspanne wird der aktuelle Wert der Messspannung U_aus gemessen und daraus ein zweiter Überspannungswert U_ueb2 ermittelt. Beispielsweise ist es möglich, einen spezifischen Zeitpunkt aus den von der Steuereinheit 4 generierten Ansteuersignalen für das erste Schaltelement 1.5.1 und das zweite Schaltelement 1.5.2 zu ermitteln. Der zweite Überspannungswert U_ueb2 kann dann bei- spielsweise als Wert der Messspannung U_aus zu diesem Zeitpunkt gemessen werden.
Es ist aber auch möglich, die Messspannung U_aus während eines vorbestimmten Messzeitfensters t_mess zu messen und den zweiten Überspannungswert U_ueb2 als Maximalwert aller innerhalb dieses Messzeitfensters t_mess gemessenen Werte der Messspannung U_aus zu ermitteln.
In einem daran anschließenden ersten Entscheidungsschritt El wird geprüft, ob der zweite Überspannungswert U_ueb2 größer oder gleich dem ersten Überspannungswert U_uebl ist.
Falls der zweite Überspannungswert U_ueb2 größer oder gleich dem ersten Überspannungswert U_uebl ist, wird in einem entlang eines positiven Ablaufpfades J an den ersten Entscheidungsschritt El anschließenden dritten Schritt S3 die Korrekturrichtung d umgekehrt, als Formel ausgedrückt:
d : = -d
und danach ein vierter Schritt S4 ausgeführt.
Falls der zweite Überspannungswert U_ueb2 kleiner als der erste Überspannungswert U_uebl ist, wird die Korrekturrichtung d beibehalten und unmittelbar nach dem ersten Entscheidungsschritt El entlang eines negativen Ablaufpfades N der vierte Schritt S4 ausgeführt.
Im vierten Schritt S4 wird die Totzeit t_tot in der Korrek¬ turrichtung um eine Totzeitänderung d_t_tot verändert, als Formel ausgedrückt:
t tot := t tot + d * d t tot. In einem daran anschließenden fünften Schritt S5 wird dem ersten Überspannungswert U_uebl der zweite Überspannungswert U_ueb2 zugewiesen, als Formel ausgedrückt:
U_uebl := U_ueb2.
Danach wird das Verfahren mit einer beliebigen Anzahl von Wiederholungen des Ablaufs vom zweiten bis zum fünften Schritt S2 bis S5 fortgesetzt. In vorteilhafter Weise wird durch das beschriebene Verfahren eine Totzeit t_tot eingestellt, die zu einem minimalen oder nähe¬ rungsweise minimalen zweiten Überspannungswert U_ueb2 führt. Für stationäre Verhältnisse bei unveränderter Eingangsgleichspannung U_ein und unverändertem Verbraucher X_L am Messaus- gang 1.3, 1.4 des Schaltnetzteils 1 pendelt die Totzeit t_tot um ein Optimum, das mit einer minimalen Überspannung, also mit einem minimalen Überschwingen der Messspannung U_aus verbunden ist, das den Sollwert der Messspannung U_soll nicht überschreitet, wie in Figur 5 dargestellt. Auch hierbei gleicht sich die Messspannung U_aus allmählich an den Sollwert U soll an und erreicht diesen im eingeschwungenen stationären Zustand.
Figur 6 stellt schematisch den Verlauf der Überspannung U_ueb sowie den Verlauf des Sollwerts U_soll der Messspannung U_aus, der sich im stationären Zustand einstellt, in Abhängigkeit von der eingestellten Totzeit t_tot dar. Es ist deutlich erkennbar, dass ein gewisser Optimalwert t_tot* der Totzeit existiert, bei welchem die Überspannung U_ueb minimal wird. Es ist ferner deutlich erkennbar, dass die Überspannung U_ueb für diesen Optimalwert der Totzeit t_tot* unter dem Sollwert U soll liegt.
In vorteilhafter Weise ist somit ein sicherer Betrieb sowohl des Schaltnetzteils 1 als auch des angeschlossenen Verbrauchers X_L gegeben . Figur 7 zeigt den Ablaufplan für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit dem die Überspannung U_ueb begrenzt wird. Das Verfahren startet in einem Startpunkt SO. Der Ablauf des ersten Schritts Sl entspricht dem in Figur 4 dargestellten Ablauf.
In einem daran anschließenden modifizierten zweiten Schritt S2' wird der Maximalwert der Messspannung U_aus über einen
Schaltzyklus ermittelt und dem zweiten Überspannungswert zu¬ gewiesen, wobei ein solcher Schaltzyklus durch die Zeit zwischen dem Beginn eines ersten Schließens des ersten Schaltelements und dem Beginn eines nachfolgenden zweiten Schließens des ersten Schaltelements bestimmt ist.
In einem anschließenden zweiten Entscheidungsschritt E2 wird geprüft, ob der im Schritt S2 ermittelte zweite Überspan¬ nungswert U_ueb2 kleiner oder gleich einem Überspannungs- grenzwert U_ueb_grenz ist. Wenn der im modifizierten zweiten Schritt S2' ermittelte zweite Überspannungswert U_ueb2 kleiner oder gleich dem Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz ist, wird entlang des positiven Ablaufpfades J als nächster Schritt der fünfte Schritt S5 abgearbeitet. Wenn der im modifizierten zweiten Schritt S2' ermittelte zweite Überspannungswert U_ueb2 größer als der Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz ist, wird entlang des negativen Ablaufpfades der Ablauf des ersten Entscheidungsschritts El, optional des dritten Schritts S3 sowie des vierten Schritts S4 so gewählt, wie in Figur 4 bereits beschrieben:
Im ersten Entscheidungsschritt El wird geprüft, ob der zweite Überspannungswert U_ueb2 kleiner oder gleich dem ersten
Überspannungswert U_uebl ist.
Falls der erste Überspannungswert U_uebl kleiner oder gleich dem zweiten Überspannungswert U_ueb2 ist, wird entlang des positiven Ablaufpfades J in dem daran anschließenden dritten Schritt S3 die Korrekturrichtung d geändert, als Formel ausgedrückt: d := -d
und danach der vierte Schritt S4 ausgeführt. Falls der erste Überspannungswert U_uebl größer als der zweite Überspannungswert U_ueb2 ist, wird die Korrekturrichtung d beibehalten und unmittelbar nach dem ersten Entscheidungsschritt El entlang des negativen Ablaufpfades N der vierte Schritt S4 ausgeführt.
Im vierten Schritt S4 wird die Totzeit t_tot in der Korrek¬ turrichtung d um eine Totzeitänderungsschrittweite d_t_tot verändert, als Formel ausgedrückt:
t_tot := t_tot + d * d_t_tot.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Totzeit- änderungssschrittweite d_t_tot zusätzlich mit einem Verstär¬ kungsfaktor K von mindestens 1 und einer mit einem positiven Exponenten x potenzierten Regelabweichung zwischen dem zweiten Überspannungswert U_ueb2 und dem Sollwert der Messspan¬ nung U_soll multipliziert werden werden, als Formel ausgedrückt: t_tot := t_tot + d * K * (U_ueb2 - U_soll)x wobei yx den zur x-ten Potenz erhobenen Wert von y darstellt.
In vorteilhafter Weise ist es bei dieser Ausführungsform der Erfindung möglich, bei einer großen Regelabweichung eine vergleichsweise große Änderung der Totzeit t_tot vorzunehmen, und bei einer geringeren Regelabweichung eine vergleichsweise kleinere Änderung der Totzeit t_tot vorzunehmen. Somit kann mit einer geringeren Anzahl von Durchläufen des vierten Schritts S4 bei etwa gleicher Regelgenauigkeit eine näherungsweise optimale Totzeit t_tot eingestellt werden als bei einem Verfahren mit einer festen Schrittweite, die unabhängig von der Abweichung des zuletzt gemessenen zweiten Überspannungswerts U_ueb2 vom Sollwert der Messspannung U_soll konstant bleibt.
Konkrete Werte für den Verstärkungsfaktor K und den Exponenten x werden in vorteilhafter Weise abhängig von der Impedanz und dem Schaltverhalten des angeschlossenen Verbrauchers X_L gewählt. Vergleichsweise große Werte für den Verstärkungsfaktor K be¬ wirken eine schnellere Änderung der Totzeit t tot und somit eine schnellere Verringerung der Regelabweichung als vergleichsweise niedrige Werte für den Verstärkungsfaktor K. Es kann jedoch ein Überschwingen der Messspannung U_aus bewirkt werden, wenn der Verstärkungsfaktor K einen gewissen Grenzwert überschreitet. In vorteilhafter Weise wird ein Verstärkungsfaktor K im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 gewählt.
Mittels des Exponenten x kann die Nichtlinearität der Regelung der Messspannung U_aus gesteuert werden. Durch Exponenten x oberhalb von 1 wird eine überproportionale Änderung der Tot¬ zeit t_tot bei großen Regelabweichungen bewirkt. Damit wird in vorteilhafter Weise eine vergleichsweise schnellere Verrin¬ gerung der Regelabweichung erzielt als mit einem Exponenten x von 1. Es kann jedoch ein Überschwingen der Messspannung U_aus bewirkt werden, wenn der Exponent x einen gewissen Grenzwert überschreitet. In vorteilhafter Weise wird ein Exponent x im Bereich von etwa 1 bis etwa 5 gewählt.
Es ist möglich, zu einem gegebenen Verbraucher X_L mit einer gegebenen Impedanz und einem gegebenen Schaltverhalten, welches die Frequenz, Schnelligkeit und Amplitude von Lastschwankungen beschreibt, besonders geeignete Werte für den Verstärkungs¬ faktor K und den Exponenten x experimentell zu ermitteln. Beispielsweise können der Verstärkungsfaktor K und der Expo- nent x zunächst soweit vergrößert werden, bis ein Überschwingen der Messspannung U_aus beobachtet wird. Danach werden die so gefundenen Werte um ein vorbestimmtes Maß verringert, um einen sicheren Betrieb des Verfahrens ohne Überschwingen der Mess¬ spannung U aus zu erzielen.
In dem entweder an den vierten Schritt S4 oder an den zweiten Entscheidungsschritt E2 anschließenden fünften Schritt S5 wird dem ersten Überspannungswert U_uebl der zweite Überspan¬ nungswert U_ueb2 zugewiesen, als Formel ausgedrückt:
U uebl := U ueb2. Danach wird das Verfahren mit einer beliebigen Anzahl von Wiederholungen des Ablaufs vom zweiten bis zum fünften Schritt S2 bis S5 fortgesetzt. In vorteilhafter Weise ist es bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, eine Totzeit t_tot so zu wählen, dass ein Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz nicht wesentlich überschritten wird. Sobald im zweiten Entscheidungsschritt E2 eine Überschreitung dieses Überspannungs- grenzwerts U_ueb_grenz festgestellt wird, wird die Tot¬ zeit t_tot in der Korrekturrichtung d so geändert, dass eine Verringerung des gemessenen zweiten Überspannungswerts U_ueb2 eintritt. Die Veränderung der Totzeit t_tot wird eingestellt, sobald der Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz erreicht oder unterschritten ist und erst wieder aufgenommen, wenn der
Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz erneut überschritten wird. In vorteilhafter Weise entfällt bei dieser Ausführungsform des Verfahrens die Notwendigkeit, fortlaufend ein Messzeitfenster zwischen dem Umschalten des ersten Schaltelements 1.5.1 und dem Umschalten des zweiten Schaltelements 1.5.2 zu überwachen, in welchem der Maximalwert des Spannungsverlaufs der Messspan¬ nung U_aus am Messausgang des Schaltreglers 1.5 erfasst werden soll. Diese Ausführungsform des Verfahrens lässt sich somit mit einem geringeren Aufwand an Bauelementen wie beispielsweise Komparatoren umsetzen.
Figur 8 zeigt den Ablaufplan für eine weitere Ausführungsform des Verfahrens, bei der die Überspannung U_ueb begrenzt wird. Das Verfahren startet in einem Startpunkt SO. Der erste Schritt Sl, der modifizierte zweite Schritt S2' und der zweite Entschei¬ dungsschritt E2 werden in gleicher Weise durchlaufen wie bei der durch Figur 7 beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens . Wenn der im modifizierten zweiten Schritt S2' ermittelte zweite Überspannungswert U_ueb2 größer als der Überspannungsgrenz- wert U_ueb_grenz ist, wird entlang des negativen Ablaufpfades N in einem anschließenden sechsten Schritt S6 eine Iterationszahl Z auf 0 gesetzt, als Formel ausgedrückt:
Z := 0. Die Iterationszahl Z beschreibt, wie oft das Verfahren seit der letzten Überschreitung des vorbestimmten Überspannungsgrenzwerts U_ueb_grenz durchlaufen wurde. Nachfolgend auf den sechsten Schritt S6 wird der Ablauf des ersten Entscheidungsschritts El, optional des dritten
Schritts S3 sowie des vierten Schritts S4 so gewählt, wie in Figur 4 bereits beschrieben: Im ersten Entscheidungsschritt El wird geprüft, ob der zweite Überspannungswert U_ueb2 kleiner oder gleich dem ersten
Überspannungswert U_uebl ist.
Falls der erste Überspannungswert U_uebl kleiner oder gleich dem zweiten Überspannungswert U_ueb2 ist, wird entlang des positiven Ablaufpfades J in dem daran anschließenden dritten Schritt S3 die Korrekturrichtung d geändert, als Formel ausgedrückt: d : = -d
und danach der vierte Schritt S4 ausgeführt.
Falls der erste Überspannungswert U_uebl größer als der zweite Überspannungswert U_ueb2 ist, wird die Korrekturrichtung d beibehalten und unmittelbar nach dem ersten Entscheidungsschritt El entlang des negativen Ablaufpfades N der vierte Schritt S4 ausgeführt.
Im vierten Schritt S4 wird die Totzeit t_tot in der Korrek¬ turrichtung d um die Totzeitänderungsschrittweite d_t_tot verändert, als Formel ausgedrückt:
t_tot := t_tot + d * d_t_tot.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Totzeitänderungsschrittweite d_t_tot zusätzlich mit einem Verstärkungs¬ faktor K von mindestens 1 und einer mit einem positiven Ex- ponenten x potenzierten Regelabweichung zwischen dem zweiten Überspannungswert U_ueb2 und dem Sollwert der Messspan¬ nung U_soll multipliziert werden werden, als Formel ausgedrückt: t tot := t tot + d * K * (U ueb2 - U soll)x wobei yx den zur x-ten Potenz erhobenen Wert von y darstellt.
Im Anschluss an den vierten Schritt S4 wird der fünfte Schritt S5 wie zur Figur 4 bereits beschrieben abgearbeitet und nachfolgend mit dem modifizierten zweiten Schritt S2' fortgefahren.
Wenn der im modifizierten zweiten Schritt S2' ermittelte zweite Überspannungswert U_ueb2 kleiner oder gleich dem Überspannungsgrenzwert U_ueb_grenz ist, so wird anschließend an den zweiten Entscheidungsschritt E2 ein siebter Schritt S7 aus¬ geführt, in dem die Iterationszahl Z inkrementiert wird, als Formel ausgedrückt:
Z := Z + 1. Im Anschluss an den siebten Schritt S7 wird in einem dritten Entscheidungsschritt E3 geprüft, ob die Iterationszahl Z größer als 1 ist. Falls die Iterationszahl Z größer als 1 ist, wird entlang eines positiven Ablaufpfades J als nächster Schritt der fünfte Schritt S5 wie zur Figur 4 bereits beschrieben abge- arbeitet und nachfolgend mit dem modifizierten zweiten
Schritt S2' fortgefahren.
Falls im dritten Entscheidungsschritt E3 festgestellt wird, dass die Iterationszahl Z nicht größer als 1 ist, wird entlang eines negativen Ablaufpfades N als nächster Schritt ein modifizierter vierter Schritt S4' abgearbeitet. Im modifizierten vierten Schritt S4' wird die Totzeit t_tot in der Korrekturrichtung d um die mit einer vorbestimmten Schrittzahl n multiplizierte Totzeitänderungsschrittweite d_t_tot verändert, als Formel ausgedrückt:
t_tot := d * n * d_t_tot.
Mit anderen Worten: in dieser Ausführungsform des Verfahrens wird bei einem auf eine Änderung der Totzeit t_tot im vierten Schritt S4 folgenden Durchlauf nochmals eine Änderung der Totzeit t_tot um einen vorbestimmten Betrag n * d_t_tot in gleicher Richtung vorgenommen. Durch Anpassung der vorbestimmten Schrittzahl n an das
Schaltverhalten eines Verbrauchers X_L ist es möglich, das Ausmaß dieser nochmaligen Änderung der Totzeit t_tot so wählen, dass bei typischen Änderungen des vom Verbraucher X_L bezogenen Laststroms eine näherungsweise minimale Überspannung U_ueb erzielt wird.
Im Anschluss an den modifizierten vierten Schritt S4' wird der fünfte Schritt S5 wie zur Figur 4 bereits beschrieben abge- arbeitet und nachfolgend mit dem modifizierten zweiten
Schritt S2' fortgefahren.
Falls im dritten Entscheidungsschritt E3 festgestellt wird, dass die Iterationszahl Z größer als 1 ist, wird entlang eines positiven Ablaufpfades J als nächster Schritt der fünfte
Schritt S5 wie zur Figur 4 bereits beschrieben abgearbeitet und nachfolgend mit dem modifizierten zweiten Schritt S2' fort¬ gefahren . In vorteilhafter Weise ermöglicht die in Figur 8 dargestellte Ausführungsform des Verfahrens eine besonders schnelle und zugleich stabile Verringerung einer Regelabweichung bei einer Laständerung ohne fortlaufende Messung der Messspannung U_aus, wenn das Schaltverhalten eines versorgten Verbrauchers X_L im Voraus bestimmbar ist. Somit können besonders einfache und stabile Schaltnetzteile entwickelt werden, die sich durch Anpassung des Verstärkungsfaktors K und/oder des Exponenten x und/oder der Schrittzahl n leicht für die Versorgung von Verbrauchern X_L mit unterschiedlichem, aber bekanntem
Schaltverhalten anpassen lassen. Bezugs zeichenliste
1 Schaltnetzteil
1.1, 1.2 Eingangskontakte
1.3, 1.4 Messausgangskontakte, Messausgang
1.5 Schaltregler
1.5.1 erstes Schaltelement
1.5.2 zweites Schaltelement
2 Messeinheit
3 Verarbeitungseinheit
4 Steuereinheit
X_L Lastwiderstand, Verbraucher
C Kapazität
L Induktivität
U_ein Eingangsgleichspannung
U_aus Messspannung
U_soll Sollwert der Messspannung
U_ueb Überspannung
t Zeit, Zeitachse
t_tot Totzeit
t_tot* optimale Totzeit
t_schalt UmschaltZeitpunkt
t_mess Messzeitfenster
SO Startpunkt
Sl bis S7 erster bis siebter Schritt
S2' modifizierter zweiter Schritt
S4' modifizierter vierter Schritt
El, El, E3 erster bis dritter Entscheidungsschritt
J positiver Ablaufpfad
N negativer Ablaufpfad

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Anpassung einer Totzeit (t_tot) zwischen dem Beginn des Öffnens eines ersten Schaltelements (1.5.1) und dem
Beginn des Schließens eines zu diesem in Reihe geschalteten zweiten Schaltelements (1.5.2) in einem Schaltregler (1.5) eines Schaltnetzteils (1),
- wobei eine Messspannung (U_aus) über dem zweiten Schalt- element (1.5.2) gemessen wird und
- wobei die Totzeit (t_tot) so variiert wird, dass eine Re¬ gelabweichung der gemessenen Messspannung (U_aus) von einem Sollwert (U_soll) der Messspannung minimiert oder begrenzt wird und
- wobei das erste und das zweite Schaltelement (1.5.1, 1.5.2) mit der so ermittelten Totzeit (t_tot) angesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen ersten Schritt (Sl) umfassend eine Initialisierung der Totzeit (t_tot) , eine Initialisierung eines ersten Über¬ spannungswerts der Messspannung (U_aus) mit einem Überspannungsstartwert größer oder gleich einer maximal messbaren Überspannung und eine Initialisierung einer Korrekturrichtung für die Änderung der Totzeit (t_tot) ,
- einen zweiten Schritt (S2) umfassend die Messung eines zweiten Überspannungswerts der Messspannung (U_aus) in einem Mess¬ zeitfenster (t_mess) innerhalb der Totzeit (t_tot) , einen dritten Schritt (S3) umfassend die Umkehrung der Korrekturrichtung, falls der zweite Überspannungswert größer ist als der erste Überspannungswert,
einen vierten Schritt (S4) umfassend die Änderung der Totzeit (t_tot) in der Korrekturrichtung um eine Totzeitänderung und
einen fünften Schritt (S5) umfassend die Überschreibung des ersten Überspannungswerts mit dem zweiten Überspannungswert, wobei der Ablauf vom zweiten bis zum fünften Schritt (S2 bis S5) mindestens einmalig wiederholt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem den zweiten Schritt (S2) ersetzenden modifizierten zweiten Schritt (S2') der zweite Überspannungswert als Maximalwert der Messspannung (U_aus) über einen kompletten Schaltzyklus ge- messen wird sowie weiter dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt (S3) und der vierte Schritt (S4) entfallen, wenn der zweite Überspannungswert kleiner oder gleich einem Überspannungsgrenzwert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass der Überspannungsgrenzwert aus dem Sollwert (U_soll) für die Messspannung (U_aus) durch Multiplikation mit einem Toleranzfaktor von mindestens 1 ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeitänderung durch Multiplikation der Differenz zwischen dem ersten Überspannungswert und dem zweiten Überspannungswert mit einer Totzeitänderungsschrittweite er¬ mittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeitänderung als Produkt aus
einem Verstärkungsfaktor von mindestens 1,
der mit einem Exponenten von mindestens 1 potenzierten Differenz zwischen dem zweiten Überspannungswert und dem
Sollwert (U_soll) der Messspannung (U_aus) und
einer Totzeitänderungsschrittweite
gebildet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Verstärkungsfaktor im Bereich von 1 bis 10 und wobei der Exponent im Bereich von 1 bis 5 gewählt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass ein modifizierter vierter Schritt (S4') dann ausgeführt wird, wenn der zweite Überspannungswert kleiner oder gleich dem Überspannungsgrenzwert ist und wenn in dem voran¬ gegangenen Durchlauf des Verfahrens der zweite Überspannungswert größer als der Überspannungsgrenzwert war, wobei in dem mo¬ difizierten vierten Schritt (S4') die Totzeit (t_tot) in der Korrekturrichtung um eine mit einer vorbestimmten Schrittzahl von mindestens 1 multiplizierte Totzeitänderungsschrittweite geändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass die Schrittzahl im Bereich von 1 bis 10 gewählt wird.
10. Vorrichtung zur Anpassung der Totzeit (t_tot) nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Messeinheit (2) zur Messung der Messspannung (U_aus) des Schaltnetzteils (1), eine mit der Messeinheit (2) verbindbare Verarbeitungseinheit (3) zur Berechnung eines Totzeitwer- tes (t_tot) sowie eine mit der Verarbeitungseinheit (3) verbindbare Steuereinheit (4) zur Ansteuerung des ersten und zweiten Schaltelements (1.5.1, 1.5.2) in dem Schaltregler (1.5) des Schaltnetzteils (1).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Schaltelement (1.5.1, 1.5.2) als Me¬ tall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind und dass die Steuereinheit (4) zur Ansteuerung von Me¬ tall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ausgebildet ist.
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