EP4555613A1 - Überwachungsvorrichtung und verfahren zur überwachung eines sperrwandlers, sperrwandler - Google Patents

Überwachungsvorrichtung und verfahren zur überwachung eines sperrwandlers, sperrwandler

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Publication number
EP4555613A1
EP4555613A1 EP23724830.7A EP23724830A EP4555613A1 EP 4555613 A1 EP4555613 A1 EP 4555613A1 EP 23724830 A EP23724830 A EP 23724830A EP 4555613 A1 EP4555613 A1 EP 4555613A1
Authority
EP
European Patent Office
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flyback converter
monitoring device
switching element
control signal
control
Prior art date
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Pending
Application number
EP23724830.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Anna SHATURA
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4555613A1 publication Critical patent/EP4555613A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
    • H02M3/325—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33507—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of the output voltage or current, e.g. flyback converters
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0812—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
    • H03K17/08122—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit in field-effect transistor switches

Definitions

  • the present invention relates to a monitoring device for a flyback converter, a flyback converter with such a monitoring device and a method for monitoring a flyback converter.
  • the present invention relates to monitoring a flyback converter to detect an overload condition.
  • the present invention is described below in connection with a flyback converter for the coupling between a high-voltage network and a low-voltage network in an electric vehicle, the present invention is not limited to this. Rather, the present invention can also be applied to any flyback converters that are used in other areas.
  • Electric vehicles usually have two DC electrical systems.
  • a high-voltage electrical system is usually powered by a traction battery and supplies an electrical direct voltage in the range of several hundred volts, which, for example, feeds an electrical drive system of the vehicle.
  • a low-voltage electrical system is usually provided, which usually has an electrical voltage between 12 V and 48 V.
  • the high-voltage electrical system and the low-voltage electrical system can be coupled to one another via a DC-DC converter. In this way, for example, electrical energy can be transferred from the traction battery in the high-voltage network to the low-voltage network.
  • So-called flyback converters for example, can be used as DC-DC converters.
  • the publication DE 10 2016 200 662 A1 describes a DC-DC converter between a high-voltage network and a low-voltage network of an electric vehicle.
  • the present invention provides a monitoring device for a flyback converter, a flyback converter and a method for monitoring a flyback converter with the features of the independent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • a monitoring device for a flyback converter wherein the flyback converter has a series circuit consisting of a switching element, an electrical resistor and a primary side of a transformer between a first connection point and a second connection point of an input connection.
  • the monitoring device is designed to be electrically coupled to a control connection of the switching element.
  • the monitoring device is designed to detect a control signal at the control connection of the switching element.
  • the monitoring device is designed to detect an overload condition in the flyback converter using the detected control signal.
  • a flyback converter with an input connection, a transformer, a switching element, an electrical resistor, a control device and a monitoring device according to the invention.
  • the input terminal of the flyback converter is designed to be connected to a DC electrical voltage source.
  • Between a first connection point and a The second connection point of the input connection is a series connection consisting of the switching element, the electrical resistance and a primary side of the transformer.
  • the control device is designed to generate a control signal for the switching element and to provide this control signal to the control connection of the switching element.
  • a method for monitoring a flyback converter wherein the flyback converter comprises a series circuit with a switching element, an electrical resistance and a primary side of a transformer between a first connection point and a second connection point of an input connection.
  • the method includes a step for detecting a control signal at the control terminal of the switching element and a step for detecting an overload condition in the flyback converter.
  • the overload condition in the flyback converter is detected using the detected drive signal.
  • a flyback converter or flyback converter includes a transformer for electrically isolating a primary or input side and a secondary or output side.
  • the primary side of the transformer can be connected to the input connection of the flyback converter via a switching element.
  • the power transmission in the flyback converter can be regulated by pulse width modulated control of the switching element. For example, a predetermined output voltage can be set on the output side or the power transfer from the primary side to the secondary side can be regulated.
  • the electrical current on the primary side which flows, for example, through the primary winding of the transformer, can be determined, for example, via a shunt resistor, which is arranged in series with the switching element and the primary winding of the transformer.
  • the present invention is based on the knowledge that as input voltages increase with the same power, the electrical current on the primary side decreases. This means that a relatively low voltage drops across the shunt resistor. This makes it difficult to precisely determine this voltage drop and the corresponding current. On the other hand, it is desirable to be able to estimate this electrical current as accurately as possible in order to be able to detect an overload of the flyback converter or any components connected to it.
  • control circuit that generates the control signal for the switching element generally has no possibility of evaluating the power in the flyback converter and generating a corresponding error message in the event of an overload, it is provided according to the invention to monitor the control signal for the switching element by means of a separate monitoring device to access and evaluate. Such an evaluation can therefore be used to easily determine whether a duty cycle of the pulse width modulated control of the switching element exceeds a threshold value which corresponds to a predetermined overload condition.
  • Control signal either through a digital circuit, for example based a microcontroller or similar.
  • a digital circuit for example based a microcontroller or similar.
  • an analog circuit for detecting and evaluating the control signal is also possible, particularly if the switching element is clocked at a very high frequency.
  • the monitoring device is designed to determine a duty cycle of the detected control signal. Accordingly, the monitoring device can detect the overload condition when the duty cycle of the control signal exceeds a predetermined threshold value. Since the switching element on the primary side of the flyback converter is usually opened or closed with a pulse width modulated control, the electrical current on the primary side corresponds to the duty cycle of this pulse width modulated control. This means that it can be determined in advance at which duty cycles the electrical current reaches a critical value for the respective operating points.
  • the monitoring device comprises a microcontroller.
  • This microcontroller is designed to receive the control signal of the switching element. Furthermore, the microcontroller can compare the duty cycle of the control signal with a predetermined limit value for the duty cycle and determine from this whether a maximum additional duty cycle has been reached and an overload of the flyback converter could occur.
  • the microcontroller can, for example, be an application-specific integrated circuit which receives the control signal of the switching element at a digital or possibly also analog input connection and evaluates it in order to determine the respective duty cycle and to detect the overload condition.
  • the monitoring device comprises a low-pass filter.
  • the low-pass filter can be implemented, for example, using discrete components, for example an RC element or the like.
  • This low-pass filter is designed to filter the control signal from the control connection of the switching element, i.e. to carry out a low-pass filtering of the control signal.
  • the monitoring device in this case is designed to detect the overload condition using the filtered Detect control signal.
  • the low-pass filtering can be viewed in particular as an averaging of the control signal. This means that monitoring of the control signal can also be implemented even with very small duty cycles or for circuits in which there are no digital inputs for detecting the control signal.
  • the monitoring device further comprises an operational amplifier.
  • This operational amplifier can be connected as a comparator.
  • the operational amplifier or comparator of the monitoring device is designed to compare the filtered, in particular the averaged, control signal with a predetermined electrical voltage value.
  • the comparator is designed to output a signal for an overload condition if the filtered control signal exceeds the predetermined voltage value.
  • the comparator can be implemented using an operational amplifier or the like.
  • the predetermined voltage value can be provided, for example, by means of a voltage divider made up of two or more electrical resistors or the like. Of course, any other approaches for the comparator and the provision of the voltage value as a reference voltage are also possible.
  • the overload condition includes exceeding an electrical current in the flyback converter, in particular an electrical current on the primary side of the flyback converter.
  • FIG. 1 a schematic representation of a basic diagram for a flyback converter with a monitoring device according to an embodiment
  • Fig. 3 a flowchart as underlying a method for monitoring a flyback converter according to one embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a schematic diagram of a flyback converter 1 with a monitoring device 20 for monitoring an overload condition in the flyback converter 1.
  • An electrical voltage in particular a DC voltage, for example from a DC voltage source 2
  • the flyback converter 1 comprises a transformer 11.
  • the primary side of the transformer 11 is connected to the connection points of a primary connection of the flyback converter 1 via a switching element 12 and a shunt resistor 13.
  • the secondary side of the transformer 11 is connected via a diode 18 to a secondary connection or output side of the flyback converter 1.
  • a capacitor 19 can be provided between the connection points of the secondary connection to smooth or stabilize the DC output voltage.
  • the switching element 12 on the primary side of the flyback converter 1 can be controlled by a control device 10.
  • the control device 10 can provide a pulse width modulated control signal at a control connection of the switching element 12.
  • the control device 10 can set the duty cycle of the pulse width modulated control according to setpoint specifications and measured values for input and/or output variables. In this way, for example, a predetermined output voltage can be set on the flyback converter 1.
  • a monitoring device 20 is provided in the flyback converter 1.
  • This monitoring device 20 is electrically coupled to the control connection of the switching element 12.
  • the monitoring device 20 can thus detect the control signal provided by the control device 10 at the control connection of the switching element 12.
  • the monitoring device 20 can then detect an overload condition using this detected control signal for the switching element 12 in the flyback converter 1.
  • This overload condition can, for example, involve reaching or exceeding an electrical current in the flyback converter 1, in particular on the primary side of the flyback converter 1. If such an overload condition is detected by the monitoring device 20, the monitoring device 20 can output a corresponding signal.
  • the overload condition can be signaled by the monitoring device 20 to the control device 10.
  • the control device 10 can thus adapt the control of the switching element 12 accordingly when the overload condition is detected. If necessary, the control device 10 can also completely deactivate the flyback converter 1 when an overload condition is detected.
  • any other suitable measures are of course also possible in response to the detection of an overload condition.
  • the monitoring device 20 can evaluate the control signal provided at the control connection of the switching element 12. In particular, the monitoring device 20 can determine a duty cycle of the pulse width modulated Determine the control of the switching element 12. The monitoring device 20 can then detect an overload condition if the determined duty cycle reaches or exceeds a predetermined limit value.
  • the monitoring device 20 can include a digital circuit, for example a microcontroller, an application-specific integrated circuit (ASIC) or the like.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the control signal for the control connection of the switching element 12 can be detected at a digital or possibly also analog input of such a circuit and then processed.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of a flyback converter 1 with a monitoring device 20 according to a further embodiment.
  • the basic principle of the flyback converter 1 in this embodiment corresponds to the structure of the previously described flyback converter 1.
  • an analog circuit concept based on discrete components is provided in this example.
  • the control signal for the switching element 12 detected by the monitoring device 20 is first fed to a low-pass filter 21.
  • This low-pass filter 21 can be implemented, for example, as an R-C element with the electrical resistor R_T and the capacitor C_T. In principle, however, other suitable circuit concepts for a low-pass filter 21 are also possible. Such low-pass filtering makes it possible, for example, to form an average value of the control signal for the switching element 12.
  • the filtered, in particular the averaged, control signal is then fed to an operational amplifier 22.
  • an operational amplifier 22 In the basic circuit diagram shown in Figure 2, for example, there is an electrical resistance R3 between an (inverting) input terminal of the operational amplifier 22 and a reference potential, a further electrical resistance is provided between this (inverting) input terminal of the operational amplifier 22 and an output terminal of the operational amplifier 22, and a series connection of yet another electrical resistor RI and the capacitor CI provided between the reference potential and the output terminal of the operational amplifier 22.
  • the gain of the operational amplifier 22 can be adjusted by the electrical resistors R2, R3.
  • the operational amplifier 22 thus works as a comparator. This comparator can compare the averaged control signal, for example, with a reference voltage.
  • Such a reference voltage can be provided, for example, by means of a reference voltage source, a voltage divider or in any other suitable manner.
  • the reference voltage is set in such a way that it corresponds to an electrical voltage that corresponds to the low-pass filtered control signal when the overload condition of the pulse width modulated control is reached.
  • the output signal of this operational amplifier 22 can be provided to signal the detected overload condition.
  • the signal can be filtered before subsequent processing in a microcontroller using a further low-pass filter made up of RI, CI
  • Figure 3 shows a flowchart underlying a method for detecting an overload condition in a flyback converter according to one embodiment.
  • the method can include any method steps as have already been described previously in connection with the flyback converter 1 and the monitoring device 20 for the flyback converter 1.
  • the previously described circuit concept can also have any components that may be required to implement the method described below.
  • a step S1 a control signal for a control connection of a switching element 12 in a flyback converter 1 is detected.
  • An overload condition in the flyback converter can then be detected in step S2 using this detected control signal.
  • the present invention relates to monitoring a flyback converter to detect an overload condition.
  • a control signal is detected and evaluated by a switching element in the flyback converter.
  • an overload condition can be determined if a duty cycle of a pulse width modulated control signal exceeds a predetermined limit value.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Überwachung eines Sperrwandlers zur Detektion einer Überlastbedingung. Hierzu wird ein Ansteuersignal von einem Schaltelement in dem Sperrwandler erfasst und ausgewertet. Insbesondere kann eine Überlastbedingung festgestellt werden, falls ein Tastverhältnis eines pulsbreitenmodulierten Ansteuersignals einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Description

Beschreibung
Titel
Überwachungsvorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Sperrwandlers, Sperrwandler
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für einen Sperrwandler, einen Sperrwandler mit einer solchen Überwachungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Sperrwandlers. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Überwachung eines Sperrwandlers zur Detektion einer Überlastbedingung.
Stand der Technik
Obwohl die vorliegende Erfindung nachfolgend im Zusammenhang mit einem Sperrwandler für die Kopplung zwischen einem Hochvoltnetz und Niedervoltnetz in einem Elektrofahrzeug beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann die vorliegende Erfindung auch auf beliebige Sperrwandler angewendet werden, wie sie in anderen Bereichen eingesetzt werden.
Elektrofahrzeuge verfügen in der Regel über zwei Gleichspannungsbordnetze. Ein Hochvoltbordnetz wird üblicherweise von einer Traktionsbatterie gespeist und liefert eine elektrische Gleichspannung im Bereich mehrerer Hundert Volt, die beispielsweise ein elektrisches Antriebssystem des Fahrzeugs speist. Darüber hinaus ist in der Regel ein Niedervoltbordnetz vorgesehen, das üblicherweise eine elektrische Spannung zwischen 12 V und 48 V aufweist. Das Hochvoltbordnetz und das Niedervoltbordnetz können über einen Gleichspannungswandler miteinander gekoppelt werden. Hierdurch kann beispielsweise elektrische Energie von der Traktionsbatterie in dem Hochvoltnetz in das Niedervoltnetz übertragen werden. Als Gleichspannungswandler können beispielsweise sogenannte Sperrwandler (englisch flyback converter) eingesetzt werden. Die Druckschrift DE 10 2016 200 662 Al beschreibt beispielsweise einen Gleichspannungswandler zwischen einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz eines Elektrofahrzeugs. Hierbei wird unter anderem vorgeschlagen, einen Sperrwandler mit galvanischer Trennung zwischen Hochvoltnetz und Niedervoltnetz vorzusehen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Überwachungsvorrichtung für einen Sperrwandler, einen Sperrwandler sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Sperrwandlers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Überwachungsvorrichtung für einen Sperrwandler, wobei der Sperrwandler zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt eines Eingangsanschlusses eine Serienschaltung aus einem Schaltelement, einem elektrischen Widerstand und einer Primärseite eines Transformators aufweist. Die Überwachungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, mit einem Steueranschluss des Schaltelements elektrisch gekoppelt zu werden. Hierbei ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, ein Ansteuersignal an dem Steueranschluss des Schaltelements zu erfassen. Weiterhin ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, unter Verwendung des erfassten Ansteuersignals eine Überlastbedingung in dem Sperrwandler zu detektieren.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein Sperrwandler mit einem Eingangsanschluss, einem Transformator, einem Schaltelement, einem elektrischen Widerstand, einer Steuereinrichtung und einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung. Der Eingangsanschluss des Sperrwandlers ist dazu ausgelegt, mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses ist eine Serienschaltung aus dem Schaltelement, dem elektrischen Widerstand und einer Primärseite des Transformators vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, ein Ansteuersignal für das Schaltelement zu generieren und dieses Ansteuersignal an dem Steueranschluss des Schaltelements bereitzustellen.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur Überwachung eines Sperrwandlers, wobei der Sperrwandler zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt eines Eingangsanschlusses eine Serienschaltung mit einem Schaltelement, einem elektrischen Widerstand und einer Primärseite eines Transformators umfasst. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erfassen eines Ansteuersignals an dem Steueranschluss des Schaltelements und einen Schritt zum Detektieren einer Überlastbedingung in dem Sperrwandler. Insbesondere wird die Überlastbedingung in dem Sperrwandler unter Verwendung des erfassten Ansteuersignals detektiert.
Vorteile der Erfindung
Ein Sperrwandler oder Flyback-Wandler umfasst einen Transformator zur galvanischen Trennung einer Primär- oder Eingangsseite und einer Sekundäroder Ausgangsseite. Dabei kann die Primärseite des Transformators über ein Schaltelement mit dem Eingangsanschluss des Sperrwandlers verbunden werden. Durch eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung des Schaltelements kann die Leistungsübertragung in dem Sperrwandler geregelt werden. Somit kann beispielsweise auf der Ausgangsseite eine vorgegebene Ausgangsspannung eingestellt werden oder die Leistungsübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite geregelt werden. Der elektrische Strom auf der Primärseite, welcher beispielsweise durch die Primärwicklung des Transformators fließt, kann dabei beispielsweise über einen Shunt-Widerstand ermittelt werden, welcher in Serie zu dem Schaltelement und der Primärwicklung des Transformators angeordnet ist. Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass mit steigenden Eingangsspannungen bei gleicher Leistung der elektrische Strom auf der Primärseite sinkt. Somit fällt über dem Shunt-Widerstand auch eine relativ geringe Spannung ab. Dies macht eine präzise Ermittlung dieses Spannungsabfalls sowie den damit korrespondierenden Strom schwierig. Andererseits ist es wünschenswert, diesen elektrischen Strom möglichst genau abschätzen zu können, um eine Überlastung des Sperrwandlers oder gegebenenfalls daran angeschlossener Komponenten erkennen zu können.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, anstelle eines Spannungsabfalls über einem Shunt-Widerstand den elektrischen Strom auf der Primärseite eines Sperrwandlers auf andere Weise abzuschätzen und hieraus eine mögliche Überlastbedingung abzuleiten. Hierzu ist es vorgesehen, das Ansteuersignal des Schaltelements auf der Primärseite des Sperrwandlers zu erfassen und auszuwerten. Aus dem Tastverhältnis der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung dieses Schaltelements kann dabei auf den primärseitigen elektrischen Strom in dem Sperrwandler geschlossen werden. Entsprechend kann durch eine Auswertung dieses Ansteuersignals auch eine mögliche Überlastbedingung des Sperrwandlers sehr einfach detektiert werden. Da jedoch in der Regel die Ansteuerschaltung, welche das Ansteuersignal für das Schaltelement generiert, keinerlei Möglichkeiten aufweist, um die Leistung in dem Sperrwandler auszuwerten und bei Überlast eine entsprechende Fehlermeldung zu generieren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Ansteuersignal für das Schaltelement mittels einer separaten Überwachungsvorrichtung abzugreifen und auszuwerten. Somit kann durch eine solche Auswertung auf einfache Weise festgestellt werden, ob ein Tastverhältnis der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung des Schaltelements einen Schwellwert überschreitet, welcher zu einer vorgegebenen Überlastbedingung korrespondiert.
Auf diese Weise kann auf die unter Umständen sehr schwierige Erfassung des elektrischen Stroms auf der Primärseite des Sperrwandlers mittels eines Shunt- Widerstandes verzichtet werden.
Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, kann die Auswertung des
Ansteuersignals entweder durch eine digitale Schaltung, beispielsweise auf Basis eines Mikrokontrollers oder Ähnlichem ausgeführt werden. Alternativ ist insbesondere bei einer sehr hochfrequenten Taktung des Schaltelements auch eine analoge Schaltung zur Erfassung und Auswertung des Ansteuersignals möglich.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, ein Tastverhältnis des erfassten Ansteuersignals zu bestimmen. Entsprechend kann die Überwachungsvorrichtung die Überlastbedingung detektieren, wenn das Tastverhältnis des Ansteuersignals einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Da das Schaltelement auf der Primärseite des Sperrwandlers in der Regel mit einer pulsbreitenmodulierten Ansteuerung geöffnet bzw. geschlossen wird, korrespondiert der elektrische Strom auf der Primärseite zu dem Tastverhältnis dieser pulsbreitenmodulierten Ansteuerung. Somit kann vorab bereits ermittelt werden, bei welchen Tastverhältnissen der elektrische Strom für die jeweiligen Betriebspunkte einen kritischen Wert erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Überwachungsvorrichtung einen Mikrokontroller. Dieser Mikrokontroller ist dazu ausgelegt, das Ansteuersignals des Schaltelements zu empfangen. Ferner kann der Mikrokontroller das Tastverhältnis des Ansteuersignals mit einem vorgegebenen Grenzwert für das Tastverhältnis vergleichen und hieraus bestimmen, ob ein maximales zusätzliches Tastverhältnis erreicht ist und eine Überlastung des Sperrwandlers eintreten könnte. Bei dem Mikrokontroller kann es sich beispielsweise um eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung handeln, welche an einem digitalen oder gegebenenfalls auch analogen Eingangsanschluss das Ansteuersignal des Schaltelements empfängt und dieses auswertet, um das jeweilige Tastverhältnis zu ermitteln sowie die Überlastbedingung zu detektieren.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Überwachungsvorrichtung einen Tiefpassfilter. Der Tiefpassfilter kann beispielsweise mittels diskreter Bauelemente, zum Beispiel einem R-C-Glied oder Ähnlichem realisiert werden. Dieser Tiefpassfilter ist dazu ausgelegt, das Ansteuersignal von dem Steueranschluss des Schaltelements zu filtern, also eine Tiefpassfilterung des Ansteuersignals vorzunehmen. Die Überwachungsvorrichtung ist in diesem Fall dazu ausgelegt, die Überlastbedingung unter Verwendung des gefilterten Ansteuersignals zu detektieren. Die Tiefpassfilterung kann insbesondere als eine Mittelwertbildung des Ansteuersignals betrachtet werden. Somit kann auch bei sehr kleinen Tastverhältnissen oder für Schaltungen, bei welchen keine digitalen Eingänge zur Erfassung des Ansteuersignals vorhanden sind, ebenfalls eine Überwachung des Ansteuersignals realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Überwachungsvorrichtung ferner einen Operationsverstärker. Dieser Operationsverstärker kann als Komparator verschaltet sein. Der Operationsverstärker bzw. Komparator der Überwachungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, das gefilterte, insbesondere das gemittelte Ansteuersignal mit einem vorgegebenen elektrischen Spannungswert zu vergleichen. Ferner ist der Komparator dazu ausgelegt, eine Signalisierung für eine Überlastbedingung auszugeben, falls das gefilterte Ansteuersignal den vorgegebenen Spannungswert überschreitet. Beispielsweise kann der Komparator mittels eines Operationsverstärkers oder Ähnlichem realisiert werden. Der vorgegebene Spannungswert kann beispielsweise mittels eines Spannungsteilers aus zwei oder mehr elektrischen Widerständen oder Ähnlichem bereitgestellt werden. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Ansätze für den Komparator sowie das Bereitstellen des Spannungswertes als Referenzspannung möglich.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Überlastbedingung ein Überschreiten eines elektrischen Stroms in dem Sperrwandler, insbesondere einem elektrischen Strom auf der Primärseite des Sperrwandlers.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaubildes für einen Sperrwandler mit einer Überwachungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Sperrwandlers mit einer Überwachungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
Fig. 3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Überwachung eines Sperrwandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung der Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaubildes eines Sperrwandlers 1 mit einer Überwachungsvorrichtung 20 zur Überwachung einer Überlastbedingung in dem Sperrwandler 1. An dem Sperrwandler 1 kann auf einer Eingangs- bzw. Primärseite eine elektrische Spannung, insbesondere eine Gleichspannung beispielsweise von einer Gleichspannungsquelle 2 bereitgestellt werden. Der Sperrwandler 1 umfasst einen Transformator 11. Die Primärseite des Transformators 11 ist über ein Schaltelement 12 und einen Shunt- Widerstand 13 mit den Anschlusspunkten eines Primäranschlusses des Sperrwandlers 1 verbunden. Die Sekundärseite des Transformators 11 ist über eine Diode 18 mit einem Sekundäranschluss bzw. Ausgangsseite des Sperrwandlers 1 verbunden. Ferner kann zwischen den Anschlusspunkten des Sekundäranschlusses ein Kondensator 19 zur Glättung bzw. Stabilisierung der Ausgangsgleichspannung vorgesehen sein. Es versteht sich, dass dieses Schaltungskonzept des Sperrwandlers 1 hier nur beispielhaft zur Veranschaulichung des Grundprinzips dienen soll. Darüber hinaus kann der Sperrwandler 1 selbstverständlich auch beliebige weitere Komponenten umfassen. Das Schaltelement 12 auf der Primärseite des Sperrwandlers 1 kann von einer Steuereinrichtung 10 angesteuert werden. Hierbei kann die Steuereinrichtung 10 ein pulsbreitenmoduliertes Ansteuersignal an einem Steueranschluss des Schaltelements 12 bereitstellen. Die Steuereinrichtung 10 kann hierbei das Tastverhältnis der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung gemäß Sollwertvorgaben sowie Messwerten für Eingangs- und/oder Ausgangsgrößen einstellen. Auf diese Weise kann beispielsweise an dem Sperrwandler 1 eine vorbestimmte Ausgangsspannung eingestellt werden.
Ferner ist in dem Sperrwandler 1 eine Überwachungsvorrichtung 20 vorgesehen. Diese Überwachungsvorrichtung 20 ist mit dem Steueranschluss des Schaltelements 12 elektrisch gekoppelt. Somit kann die Überwachungsvorrichtung 20 das von der Steuereinrichtung 10 am Steueranschluss des Schaltelements 12 bereitgestellte Ansteuersignal erfassen. Die Überwachungsvorrichtung 20 kann daraufhin unter Verwendung dieses erfassten Ansteuersignals für das Schaltelement 12 in dem Sperrwandler 1 eine Überlastbedingung detektieren. Bei dieser Überlastbedingung kann es sich beispielsweise um das Erreichen bzw. Überschreiten eines elektrischen Stroms in dem Sperrwandler 1, insbesondere auf der Primärseite des Sperrwandlers 1 handeln. Wird durch die Überwachungsvorrichtung 20 eine solche Überlastbedingung detektiert, so kann die Überwachungsvorrichtung 20 eine entsprechende Signalisierung ausgeben. Beispielsweise kann die Überlastbedingung von der Überwachungsvorrichtung 20 an der Steuereinrichtung 10 signalisiert werden. Somit kann die Steuereinrichtung 10 bei der Detektion der Überlastbedingung die Ansteuerung des Schaltelements 12 entsprechend anpassen. Gegebenenfalls kann die Steuereinrichtung 10 bei der Detektion einer Überlastbedingung auch den Sperrwandler 1 vollständig deaktivieren. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere geeignete Maßnahmen als Reaktion auf die Detektion einer Überlastbedingung möglich.
Zur Detektion einer Überlastbedingung in dem Sperrwandler 1 kann die Überwachungsvorrichtung 20 das an dem Steueranschluss des Schaltelements 12 bereitgestellte Ansteuersignal auswerten. Insbesondere kann die Überwachungsvorrichtung 20 ein Tastverhältnis der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung des Schaltelements 12 ermitteln. Daraufhin kann die Überwachungsvorrichtung 20 eine Überlastbedingung detektieren, falls das ermittelte Tastverhältnis einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet.
Beispielsweise kann die Überwachungsvorrichtung 20 hierzu einen digitalen Schaltkreis, beispielsweise einen Mikrokontroller, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder Ähnliches umfassen. Zum Beispiel kann an einem digitalen oder gegebenenfalls auch analogen Eingang eines solchen Schaltkreises das Ansteuersignal für den Steueranschluss des Schaltelements 12 erfasst und daraufhin verarbeitet werden.
Alternativ ist auch eine zumindest teilweise analoge Verarbeitung bzw. Auswertung des Ansteuersignals für das Schaltelement 12 möglich.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Sperrwandlers 1 mit einer Überwachungsvorrichtung 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Grundprinzip des Sperrwandlers 1 in dieser Ausführungsform entspricht dabei dem Aufbau des zuvor beschriebenen Sperrwandlers 1. Anstelle einer zumindest teilweisen digitalen Verarbeitung bzw. Auswertung des Ansteuersignals für das Schaltelement 12 ist in diesem Beispiel ein analoges Schaltungskonzept auf Basis von diskreten Bauelementen vorgesehen.
Das von der Überwachungsvorrichtung 20 erfasste Ansteuersignal für das Schaltelement 12 wird zunächst einem Tiefpassfilter 21 zugeführt. Dieser Tiefpassfilter 21 kann beispielsweise als R-C-Glied mit dem elektrischen Widerstand R_T und dem Kondensator C_T realisiert werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere geeignete Schaltungskonzepte für einen Tiefpassfilter 21 möglich. Durch eine solche Tiefpassfilterung ist z.B. eine Mittelwertbildung des Ansteuersignals für das Schaltelement 12 möglich.
Das gefilterte, insbesondere das gemittelte Ansteuersignal wird daraufhin einem Operationsverstärker 22 zugeführt. In dem in Figur 2 dargestellten Prinzipschaltbild ist beispielsweise ein elektrischer Widerstand R3 zwischen einem (invertierenden) Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 22 und einem Bezugspotenzial vorgesehen, ein weiterer elektrischer Widerstand ist zwischen diesem (invertierenden) Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 22 und einem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 22 vorgesehen, und eine Serienschaltung von noch einem weiteren elektrischen Widerstand RI sowie dem Kondensator CI ist zwischen dem Bezugspotenzial und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 22 vorgesehen. Die Verstärkung des Operationsverstärkers 22 ist durch die elektrischen Widerstände R2, R3 einstellbar. Somit arbeitet der Operationsverstärker 22 als Komparator. Dieser Komparator kann das gemittelte Ansteuersignal beispielsweise mit einer Referenzspannung vergleichen. Eine solche Referenzspannung kann beispielsweise mittels einer Referenzspannungsquelle, einem Spannungsteiler oder auf beliebige andere geeignete Weise bereitgestellt werden. Die Referenzspannung wird hierbei derart eingestellt, dass sie zu einer elektrischen Spannung korrespondiert, die dem tiefpassgefilterten Ansteuersignal entspricht, wenn die Überlastbedingung der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung erreicht wird.
Das Ausgangssignal dieses Operationsverstärkers 22 kann dabei zur Signalisierung der detektierten Überlastbedingung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann mittels eines weiteren Tiefpassfilters aus RI, CI wird das Signal vor der anschließenden Bearbeitung in einem Microkontroller gefiltert
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Detektion einer Überlastbedingung in einem Sperrwandler gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren kann grundsätzlich beliebige Verfahrensschritte umfassen, wie sie bereits zuvor in Zusammenhang mit dem Sperrwandler 1 sowie der Überwachungsvorrichtung 20 für den Sperrwandler 1 beschrieben worden sind. Analog kann auch das zuvor beschriebene Schaltungskonzept beliebige Komponenten aufweisen, die zur Realisierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens erforderlich sein können. In einem Schritt S1 wird ein Ansteuersignal für einen Steueranschluss eines Schaltelements 12 in einem Sperrwandler 1 erfasst. Daraufhin kann in Schritt S2 unter Verwendung dieses erfassten Ansteuersignals eine Überlastbedingung in dem Sperrwandler detektiert werden.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Überwachung eines Sperrwandlers zur Detektion einer Überlastbedingung. Hierzu wird ein Ansteuersignal von einem Schaltelement in dem Sperrwandler erfasst und ausgewertet. Insbesondere kann eine Überlastbedingung festgestellt werden, falls ein Tastverhältnis eines pulsbreitenmodulierten Ansteuersignals einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Claims

Ansprüche
1. Überwachungsvorrichtung (20) für einen Sperrwandler (1), wobei der Sperrwandler (1) zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt eines Eingangsanschlusses eine Serienschaltung mit einem Schaltelement (12), einem elektrischen Widerstand (13) und einer Primärseite eines Transformators (11) umfasst, und wobei die Überwachungsvorrichtung (20) mit einem Steueranschluss des Schaltelements (12) elektrisch gekoppelt ist, und die Überwachungsvorrichtung (20) dazu ausgelegt ist, ein Ansteuersignal an dem Steueranschluss des Schaltelements (12) zu erfassen und unter Verwendung des erfassten Ansteuersignals eine Überlastbedingung in dem Sperrwandler (1) zu detektieren.
2. Überwachungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei die Überwachungsvorrichtung (20) dazu ausgelegt ist, ein Tastverhältnis des erfassten Ansteuersignals zu bestimmen und die Überlastbedingung zu detektieren, falls das Tastverhältnis des Ansteuersignals einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
3. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Überwachungsvorrichtung einen Mikrocontroller umfasst, der dazu ausgelegt ist, das Ansteuersignals des Schaltelements (12) zu empfangen und unter Verwendung des empfangenen Ansteuersignals das Tastverhältnis des Ansteuersignals zu bestimmen.
4. Überwachungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei die Überwachungsvorrichtung (20) einen Tiefpassfilter (21) umfasst, der dazu ausgelegt ist, das Ansteuersignal von dem Steueranschluss des Schaltelements zu filtern und wobei die Überwachungsvorrichtung (20) dazu ausgelegt ist, die Überlastbedingung unter Verwendung des gefilterten Ansteuersignals zu detektieren. Überwachungsvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Überwachungsvorrichtung (20) dazu ausgelegt ist, die Ansteuerung des Sperrwandlers (1) anzupassen oder den Sperrwandler (1) abzuschalten, falls eine Überlastbedingung detektiert worden ist. Überwachungsvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Überlastbedingung ein Überschreiten eines elektrischen Stroms in dem Sperrwandler (1) umfasst. Sperrwandler (1), mit: einem Transformator (11); einem Schaltelement (12); einem elektrischen Widerstand (13), einem Eingangsanschluss, der dazu ausgelegt ist, mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle (2) verbunden zu werden, wobei zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses eine Serienschaltung mit dem Schaltelement (12), dem elektrischen Widerstand (13) und einer Primärseite des Transformators (11) vorgesehen ist; einer Steuereinrichtung (10), die dazu ausgelegt ist, ein Ansteuersignal für das Schaltelement (12) zu generieren und an einem Steueranschluss des Schaltelements (12) bereitzustellen; und einer Überwachungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6. Sperrwandler (1) nach Anspruch 7, wobei die Steuereinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, die Ansteuerung des Schaltelements (12) unter Verwendung der detektierten Überlastbedingung anzupassen. Verfahren zur Überwachung eines Sperrwandlers (1), wobei der Sperrwandler (1) zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt eines Eingangsanschlusses eine Serienschaltung mit einem Schaltelement (12), einem elektrischen Widerstand (13) und einer Primärseite eines Transformators (11) umfasst, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Erfassen (Sl) eines Ansteuersignals an dem Steueranschluss des Schaltelements (12); und
Detektieren (S2) einer Überlastbedingung in dem Sperrwandler (1) unter Verwendung des Erfassten Ansteuersignals.
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