WO2004027963A1 - Schaltnetzteil - Google Patents

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WO2004027963A1
WO2004027963A1 PCT/AT2003/000278 AT0300278W WO2004027963A1 WO 2004027963 A1 WO2004027963 A1 WO 2004027963A1 AT 0300278 W AT0300278 W AT 0300278W WO 2004027963 A1 WO2004027963 A1 WO 2004027963A1
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WO
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power supply
temperature
supply according
switching power
thermal model
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PCT/AT2003/000278
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English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Schweigert
Harald Weinmeier
Original Assignee
Siemens Ag Österreich
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.)
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Publication date
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Publication of WO2004027963A1 publication Critical patent/WO2004027963A1/de
Priority to US11/083,501 priority patent/US7742305B2/en

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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
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection

Definitions

  • the invention relates to a switching power supply for supplying a load with a regulated output voltage / output current and with at least one switch controlled by a control circuit, via which a DC input voltage is switched, and with a switch-off control for overload conditions.
  • Switched-mode power supply should be understood in conjunction with the invention to mean any type of power supply that is also switched, ie. H. contains clocked semiconductor components and generates a usually regulated direct or alternating output voltage from a direct or alternating voltage, usually from a mains alternating voltage, in order to feed one or more consumers.
  • switched-mode power supplies are envisaged, which result from an unregulated AC voltage of, for. B. 230/400 volts a regulated output voltage of z. B. generate 40 volts.
  • Switched-mode power supplies generally have a maximum output power, which, for. B. is set to a fixed value via a current limitation, the maximum output power being available as continuous power. The maximum ambient temperature is assumed. According to the prior art, power supplies are known which can briefly emit output currents or powers which exceed the nominal value, for. B. those that can deliver 3 times the nominal current for 25 ms. Furthermore, it has become known to design power supplies in such a way that they have a higher, e.g. B. 10 to 30% higher output power are able to deliver ("derating").
  • the problem underlying the invention is not the protection of a load and the consideration of its properties, but the creation of an inexpensive switching power supply.
  • a controller in which a thermal model is implemented, with the aid of which the temperature of at least one component can be calculated or estimated, the thermal model at least as an electrical variable a current value, which is load-dependent, is provided, the controller is set up to emit at least one limit signal depending on calculated or estimated temperature values when predefinable limit values are reached or a function of several limit values, which can be used to intervene to reduce the temperature, and at least one limit signal can be fed to the control, which acts on the control circuit in the sense of a temperature and thus a reduction in power.
  • a switching power supply can be created, which has only a relatively small size and lower costs than conventional power supplies, since it is only dimensioned for the dreadful power consumption. In fact, in practice you can reduce the dimensioning to about half the nominal output, with the only additional costs being those relating to temperature monitoring.
  • a limit signal is used to switch off the power supply on the primary / secondary side. It is particularly expedient if a limit signal is used to control a cooling / ventilation device. In the event of a temporary overload, this can prevent or at least delay switching off the power supply.
  • At least one temperature sensor is provided for detecting / relevant temperatures for the power supply, the signal of the at least one temperature sensor being able to be included in the thermal model.
  • the temperature values are of immediate and clear importance for an overload condition of the power supply. It can be useful if a temperature sensor is provided for the ambient temperature of the power supply or if a temperature sensor is provided for detecting the temperature of a semiconductor component and / or its thermally relevant environment or if a temperature sensor for detecting the temperature of a transformer and / or its thermally relevant environment is provided.
  • the thermal model contains stored thermal time constants of individual components, which are taken into account when calculating / estimating component temperatures.
  • the thermal model contains stored thermal time constants of individual components, which are taken into account when calculating / estimating component temperatures.
  • the thermal model is set up to continuously calculate the temperature of components, taking into account the stored thermal time constants.
  • the thermal model contains a list of possible combinations of the assignments of operating parameter values and limit signals and the control is set up to select and output at least one limit signal from this list in accordance with measured values.
  • Versions in which the control contains at least one digital processor are particularly powerful.
  • a thermal model in particular a simplified model, can also be constructed from operational amplifiers, resistors and capacitors.
  • FIG. 1 shows the basic circuit diagram of an inventive power supply designed as a switching converter
  • FIG. 2 shows another possible embodiment, likewise in a basic circuit diagram.
  • an input voltage UE is rectified by means of a rectifier D1 and the rectified voltage UZK, which is connected to a capacitor CE, is fed to the primary winding WP of a transformer UET via a controlled switch.
  • a sensor resistor Rs In series with the controlled switch is a sensor resistor Rs for the detection of the primary current.
  • the controlled switch S is controlled by a control circuit AST, which delivers a pulse-width-modulated signal of constant or variable frequency in the usual way.
  • the drive circuit is supplied with a voltage Uv, which is connected to a capacitor C4, via an auxiliary winding WH and an auxiliary rectifier D2.
  • a relatively high-resistance series resistor RV which is connected to the voltage UZK, is used to start the circuit.
  • the voltage across a secondary winding WS is rectified, for example using diodes D3 and D4 and using an inductance L, in the present case the converter being constructed according to the forward converter principle.
  • the rectified output voltage UA is connected to a capacitor CA.
  • a voltage detection circuit UEK on the secondary side supplies information about the output voltage to the control circuit AST via an optocoupler OKO, so that the output voltage can be regulated to a fixed value.
  • the output current IA is detected by a series resistor RD and fed to a control unit STE for a current detection IAK.
  • Other options for current detection e.g. B. via a current transformer, etc. are possible.
  • the sensor resistor Rs on the primary side supplies the course of the primary current in a known manner for the control circuit AST and on the other hand it supplies a signal to a current detection IEK of the control STE.
  • This control STE contains a thermal model THM, which in the present case receives information about the output current and about the input current.
  • the thermal model THM calculates the temperatures of critical components from the values of the output current or, if applicable, also the input current. B. the diodes D3 and D4 or the switch S, or estimates these temperatures. Thereby, the thermal time constants, heat sink conditions etc. are also taken into account in the thermal model THM. In addition to the semiconductor temperatures, the thermal model THM can also be used, for example, to calculate / estimate the temperatures in the windings of the transformer UET.
  • the controller uses the thermal model to determine whether predefined temperature limit values or critical combinations of such limit values have been reached, it outputs at least one limit signal, in the present case via an interface INT.
  • Released limit signals can trigger various processes, even in different orders: For example, a signal est can first be sent to a fan control LST, which starts the motor MOT of a fan or increases the speed of a fan that is already running in order to The temperature of certain components or the interior of a power supply housing is forced to cool. If this measure already leads to the temperatures or combinations of temperatures falling below their critical values, nothing will be done or after a while the fan control is deactivated again.
  • An alarm signal ala can already be issued at the time the fan control is activated, for example to a host computer or to a warning lamp, etc. If the start-up of the fan has no effect, a shutdown signal abs is next sent to the control AST, which shuts down the switching converter, e.g. B. put into a standby mode until the overload conditions are eliminated.
  • a shutdown signal abs is next sent to the control AST, which shuts down the switching converter, e.g. B. put into a standby mode until the overload conditions are eliminated.
  • control STE also contains a memory SPE together with a display ANZ, in which the current curve is shown in particular before the time of the shutdown, a period of 10 to 100 seconds, for example, being envisaged. From this recording, the user can deduce possible causes of the shutdown.
  • the embodiment shown in FIG. 2 corresponds in its construction as a forward converter switching converter to that according to FIG. 1.
  • the thermal model THM is not based on electrical quantities of the power supply, but on with the help temperatures measured by temperature sensors, which are assigned to different components of the power supply.
  • a temperature sensor TS1 is initially provided, which detects the room temperature or ambient temperature of the power supply.
  • Another temperature sensor TS2 here measures the temperature on a heat sink KK of the primary switch S.
  • the temperature on a heat sink KK which is common to the two diodes D3 and D4 on the secondary side, is detected with the aid of a temperature sensor TS3 and the transmitter UET is on Assigned temperature sensor TS4, which is connected, for example, in a heat-conducting manner to the core of the transformer UET.
  • the controller can use the thermal model to determine the actual critical temperature values, e.g. B. calculate or estimate the chip temperature of a semiconductor or the winding temperature of the transformer and then deliver the previously mentioned limit signal or several corresponding signals when predefinable limit values or a questionable combination of such limit values is reached.
  • the actual critical temperature values e.g. B. calculate or estimate the chip temperature of a semiconductor or the winding temperature of the transformer and then deliver the previously mentioned limit signal or several corresponding signals when predefinable limit values or a questionable combination of such limit values is reached.
  • temperatures on the chip of a semiconductor can in fact never be measured with reasonable effort, in particular the temperatures on the chip of a semiconductor.
  • the various components would have to be drilled, and there are also special requirements for the insulation of the temperature sensor.
  • temperatures are measured that are related to the respective component, such as the housing temperature of a semiconductor or the temperature at a certain point on the heat sink of a semiconductor.
  • Even with the transformer it is often difficult to measure the winding temperature or the core temperature, so that one can, for example, measure the circuit board temperature at the electrical connections of a transformer.
  • the thermal model contains all those parameters that are necessary in order to be able to reliably and time-dependently determine the relevant, ie critical, temperatures from the temperatures actually measured.
  • both the load current and the input voltage are important for heating the transformer, namely the load current because of the copper losses and the input voltage because of the capacitive losses increasing with increasing input voltage. This can also be taken into account and it is indicated in FIG. 2 that the input voltage and the input current are supplied to the thermal model as parameters.
  • a signal derived from the known load current is added to the actually measured heat sink temperature signal.
  • the actually measured heat sink temperature signal e.g. B.
  • Each ampere load current has the effect that a signal is added to the heat sink measured value, which makes this measured value appear two Kelvin higher.
  • the same principle can be taken into account for the transformer.
  • control STE or the thermal model THM will contain a digital processor DSP, which makes it possible, for example, to permanently count the heating of one or more components.
  • DSP digital processor
  • Another option is to store a list of possible combinations of possible operating parameter values in an EPROM. The processor then only has to find the corresponding parameter list and execute the command stored there.
  • Such a list can e.g. B. hundred "IF” instructions included such as the following:. "IF" ambient temperature ⁇ 20 ° C "AND” load current ⁇ 1.2 xi call "THEN" warning signal in 32 sec.
  • the control with the thermal model is in principle not tied to a digital processor DSP, but the entire thermal model can also be simulated with operational amplifiers, capacitors and resistors. In general, however, this is rather complex and not cheap given the current availability of low-cost processors.

Abstract

Ein Schaltnetzteil mit zumindest einem von einer Ansteuerschaltung (AST) angesteuerten Schalter (S), über welchen eine Eingangsgleichspannung (Uv) geschaltet wird, wobei ein thermisches Modell (THM) in einer Steuerung (STE) implementiert ist, mit dessen Hilfe die Temperatur zumindest eines Bauelements (S; D3, D4, UET) errechenbar bzw. abschätzbar ist, und dem thermischen Modell als elektrische Grösse zumindest ein Stromwert, der lastabhängig ist, zur Verfügung gestellt ist, die Steuerung (STE) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von errechneten bzw. abgeschätzten Temperaturwerten bei Erreichen vorgebbarer Grenzwerte oder einer Funktion mehrerer Grenzwerte zumindest ein Begrenzungssignal (abs, a la) abzugeben, welches im Sinne eines Eingreifens zur Temperaturverminderung einsetzbar ist, und zumindest ein Begrenzungssignal (abs) im Sinne einer Temperatur- und damit einer Leistungsverminderung auf die Ansteuerschaltung einwirkt.

Description

SCHALTNETZTEIL
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil zur Versorgung einer Last mit einer geregelten Ausgangsspannung/ Ausgangsstrom und mit zumindest einem von einer Ansteuerschaltung angesteuerten Schalter, über welchen eine Eingangsgleichspannung geschaltet wird und mit einer Abschaltsteuerung für Überlastzustände.
Unter Schaltnetzteil soll im Zusarnmerihang mit der Erfindung jede Art von Stromversorgung verstanden werde, die auch geschaltete, d. h. getaktete Halbleiterbauelemente enthält und aus einer Gleich- oder Wechselspannung, meist aus einer Netzwechselspannung, eine üblicherweise geregelte Gleich- oder Wechsel-Ausgangsspannung erzeugt, um einen oder mehrere Verbraucher zu speisen. Im besonderen werden Schaltnetzteile ins Auge gefasst, die aus einer ungeregelten Wechselspannung von z. B. 230/400 Volt eine geregelte Ausgangsgleichspannung von z. B. 40 Volt erzeugen.
Bei der Dimensionierung von Schaltnetzteilen, insbesondere solchen für Industriesteuerungen, stellt die Berechnung des Leistungsverbrauchs, sofern überhaupt möglich, einen erheblichen Aufwand dar. Meist ist nur eine Abschätzung möglich, da der Spitzenstromverbrauch vor allem von dem ablaufenden Programm der Steuerung abhängt. Aus diesem Grunde werden Stromversorgungen oft massiv überdimensioniert, was allerdings zu höheren Kosten und einem größeren Raumbedarf führt.
Schaltnetzteile besitzen im allgemeinen eine Maximal-Ausgangsleistung, die z. B. über eine Strombegrenzung auf einen festen Wert eingestellt ist, wobei die maximale Ausgangsleistung als Dauerleistung zur Verfügung steht. Dabei geht man von der maximalen Umgebungstemperatur aus. Nach dem Stand der Technik sind Stromversorgungen bekannt, welche kurzzeitig über den Nennwert hinausgehende Ausgangsströme bzw. -leistungen abgeben können, z. B. solche, die für 25 ms den 3-fachen Nennstrom abgeben können. Weiters ist es bekannt geworden, Stromversorgungen so zu konstruieren, dass sie bei niedrigerer Umgebungstemperatur eine höhere, z. B. 10 bis 30 % höhere Ausgangsleistung abzugeben imstande sind („Derating").
Vorübergehende Überlasten können auch durch dem Ausgang parallel geschaltete Akkumulatoren abgedeckt werden, doch ist diese Lösung recht nachteilig, da die Lebensdauer der Akkumulatoren und deren Preis ins Gewicht fallen, eine getrennte Abschaltvorrichtung zum Schutz vor Tiefentladungen ebenso notwendig ist, wie eine gesonderte Ladeschaltung, und neben dem Preis auch Volumen und Gewicht erheblich sind. Die prinzipielle Berücksichtigung thermischer Kapazitäten bei der abgesicherten Versorgung von elektrischen Verbrauchern ist vielfach bekannt und im Prinzip bereits bei Schmelzsicherungen mit an den Verbraucher angepasster Trägheit realisiert. So zeigt beispielsweise die US 5,283,708 A einen elektronischen Schütz für einen Elektromotor, der an ein Dreiphasennetz angeschlossen und vor längerer Belastung über der Nennlast geschützt werden soll. Dabei kann die jeweils aktuelle Temperatur des Motors berechnet und beim Abschalten des Motors Berücksichtigung finden.
Das Problem, das der Erfindung zugrunde liegt, ist jedoch nicht der Schutz einer Last und die Berücksichtigung derer Eigenschaften, sondern die Schaffung eines kostengünstigen Schaltnetzteils.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt somit insbesondere in der Schaffung eines Schaltnetzteils, bei welchem unnötig hohe Kosten aufgrund einer Überdimensionierung vermieden werden können und insbesondere eine intelligente Anpassung an die vorhandenen Gegebenheiten, insbesondere Last- und Temperatursituationen möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Schaltnetzteil der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß eine Steuerung vorgesehen ist, in welche ein thermisches Modell implementiert ist, mit dessen Hilfe die Temperatur zumindest eines Bauelements errechenbar bzw. abschätzbar ist, wobei dem thermischen Modell als elektrische Größe zumindest ein Stromwert, der lastabhängig ist, zur Verfügung gestellt ist, die Steuerung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von errechneten bzw. abgeschätzten Temperaturwerten bei Erreichen vorgebbarer Grenzwerte oder einer Funktion mehrerer Grenzwerte zumindest ein Begrenzungssignal abzugeben, welches im Sinne eines Eingreifens zur Temperaturverminderung einsetzbar ist, und zumindest ein Begrenzungssignal der Ansteuerung zuführbar ist, welches im Sinne einer Temperatur- und damit einer Leistungsverminderung auf die Ansteuerschaltung einwirkt.
Dank der Erfindung kann ein Schaltnetzteil geschaffen werden, welches nur eine relativ geringe Baugröße und geringere Kosten als übliche Stromversorgungen aufweist, da sie nur auf den duxchschrdttlichen Stromverbrauch dimensioniert ist. Tatsächlich kann man in der Praxis die Dimensionierung auf etwa die halbe Nennleistung reduzieren, wobei als Mehrkosten lediglich jene hinzukommen, welche die Temperaturüberwachung betreffen.
Bei einer praxisgemäßen Variante ist vorgesehen, dass ein Begrenzungssignal zum primär/ sekundärseitigen Abschalten der Stromversorgung herangezogen ist. Besonders zweckmäßig ist es, wenn ein Begrenzungssignal zur Steuerung einer Kühl- /Belüfttmgseinrichtung herangezogen ist. Dadurch kann bei vorübergehender Überlast das Abschalten der Stromversorgung verhindert oder zumindest verzögert werden.
In vielen Fällen ist es empfehlenswert, wenn ein Begrenzungssignal als Alarmsignal herangezogen ist, da der Anwender entsprechende Maßnahmen treffen kann, um Schäden zu vermeiden oder zu verringern.
Bei bevorzugten Varianten ist vorgesehen, dass zumindest ein Temperatursensor zur Erfassung von/ für die Stromversorgung relevanten Temperaturen vorgesehen ist, wobei das Signal des zumindest einen Temperatursensors in das thermische Modell einbeziehbar ist. Im Gegensatz zu anderen Betriebsparamterwerten sind die Temperaturwerte von unmittelbarer und eindeutiger Bedeutung für einen Überlastzustand der Stromversorgung. Dabei kann es sinnvoll sein, wenn ein Temperatursensor für die Umgebungstemperatur der Stromversorgung vorgesehen ist bzw. wenn ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur eines Halbleiter-Bauelements und/ oder seiner thermisch relevanten Umgebung vorgesehen ist bzw. wenn ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur eines Transformators und/ oder seiner thermisch relevanten Umgebung vorgesehen ist.
Andererseits ist es in vielen Fällen sinnvoll, wenn dem thermischen Modell als elektrische Größe zumindest der Ausgangsstrom der Stromversorgung zur Verfügung gestellt ist bzw. wenn dem thermischen Modell als elektrische Größe der primärseitige Strom zur Verfügung gestellt ist. Das thermische Modell kann aus solchen Stromwerten durchaus eine Abschätzung z. B. der Chiptemperatur von Leistungshalbleitern vornehmen.
Bei einer weiteren Variante kann vorgesehen sein, dass das thermische Modell abgespeicherte thermische Zeitkonstanten einzelner Bauelemente enthält, welche bei der Errechnung/ Abschätzung von Bauelementtemperaturen berücksichtigt werden. Hierdurch lässt sich die oft erhebliche Verzögerung zwischen einer tatsächlichen Halbleiter(Chip)temperatur und beispielsweise der Gehäuse- oder Kühlkörpertemperatur berücksichtigen. Hierbei ist es besonders wirksam, wenn das thermische Modell zur laufenden Berechnung der Temperatur von Bauelementen unter Berücksichtigung der abgespeicherten thermischen Zeitkonstanten eingerichtet ist. Eine andere und einfach realisierbare Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Modell eine Liste möglicher Kombinationen der Zuordnungen von Betriebsparameterwerten und Begrenzungssignalen enthält und die Steuerung dazu eingerichtet ist, entsprechend von Messwerten aus dieser Liste zumindest ein Begrenzungssignal auszuwählen und abzugeben.
Besonders leistungsfähig sind Ausführungen, bei welchen die Steuerung zumindest einen digitalen Prozessor enthält.
Andererseits ist es möglich, dass die Steuerung zumindest teilweise analog aufgebaut ist. Man kann ein thermisches Modell, insbesondere ein vereinfachtes, auch aus Operationsverstärkern, Widerständen und Kondensatoren aufbauen.
Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen, als Schaltwandler ausgebildeten Stromversorgung und Fig. 2 eine weitere möglich Ausführung, gleichfalls in einem Prinzipschaltbild.
Gemäß Fig. 1 wird eine Eingangsspannung UE mittels eines Gleichrichters Dl gleichgerichtet und die gleichgerichtete, an einem Kondensator CE liegende Spannung UZK wird über einen gesteuerten Schalter der Primärwicklung WP eines Übertragers UET zugeführt. In Serie mit dem gesteuerten Schalter liegt ein Sensorwiderstand Rs zur Erfassung des primärseitigen Stroms.
Angesteuert wird der gesteuerte Schalter S von einer Ansteuerschaltung AST, die in üblicher Weise ein pulsweitenmoduliertes Signal konstanter oder auch veränderbarer Frequenz liefert. Die Ansteuerschaltung wird über eine Hilfswicklung WH und einen Hilfsgleichrichter D2 mit einer Spannung Uv versorgt, die an einem Kondensator C4 liegt. Zum Anlauf der Schaltung dient ein relativ hochohmiger Vorwiderstand RV, der an der Spannung UZK liegt.
Sekundärseitig wird die an einer Sekundärwicklung WS liegende Spannung beispielsweise unter Benutzung von Dioden D3 und D4 und Heranziehung einer Induktivität L gleichgerichtet, wobei im vorliegenden Fall der Wandler nach dem Flusswandlerprinzip aufgebaut ist. Hier soll angemerkt werden, dass selbstverständlich auch Flusswandler oder gemischte Wandlertypen in Zusammenhang mit der Erfindung zur Anwendung kommen können. Die gleichgerichtet Ausgangsspannung UA liegt an einem Kondensator CA. Eine Spannungs- erkennungsschaltung UEK an der Sekundärseite liefert über einen Optokoppler OKO Informationen betreffend die Ausgangsspannung an die Ansteuerschaltung AST, sodass die Ausgangsspannung auf einen festen Wert geregelt werden kann. In ähnlicher Weise, hier jedoch nicht gezeigt, ist es möglich ist, Informationen über den Ausgangsstrom IA an die Ansteuerschaltung AST weiterzuleiten, falls beispielsweise eine sekundäre Stromregelung gewünscht ist.
Im vorliegenden Fall wird der Ausgangsstrom IA von einem Längswiderstand RD erfasst und einer Stromerkennung IAK einer Steuerung STE zugeführt. Auch andere Möglichkeiten der Stromerfassung, z. B. über einen Stromwandler etc., sind möglich.
Der primärseitige Sensorwiderstand Rs liefert einerseits für die Ansteuerschaltung AST in bekannter Weise den Verlauf des Primärstroms und andererseits liefert er ein Signal an eine Stromerkennung IEK der Steuerung STE. Diese Steuerung STE enthält ein thermisches Modell THM, welches im vorliegenden Fall Informationen über den Ausgangsstrom sowie über den Eingangsstrom erhält.
Das thermische Modell THM errechnet aus den Werten des Ausgangsstroms bzw. gegebenenfalls auch des Eingangsstroms die Temperaturen kritischer Bauelemente, z. B. der Dioden D3 und D4 oder des Schalters S, bzw. schätzt diese Temperaturen ab. Dabei werden in dem thermischen Modell THM auch die thermischen Zeitkonstanten, Kühlkörpergegebenheiten etc. berücksichtigt. Neben den Halbleitertemperaτuren können mit Hilfe des thermischen Modells THM beispielsweise auch die Temperaturen in den Wicklungen des Übertragers UET errechnet/ abgeschätzt werden.
Sobald die Steuerung mit Hilfe des thermischen Modells das Erreichen vorgebbarer Temperaturgrenzwerte oder kritischer Kombinationen solcher Grenzwerte feststellt, gibt sie zumindest ein Begrenzungssignal ab, im vorliegenden Fall über ein Interface INT. Abgegebene Begrenzungssignale können, auch in unterscliiedlicher Reihenfolge, diverse Vorgänge auslösen: Beispielsweise kann zunächst ein Signal est an eine Lüftersteuerung LST abgegeben werden, welche den Motor MOT eines Lüfters in Betrieb setzt oder die Drehzahl eines bereits laufenden Lüfters erhöht, um mit Hilfe dieses Lüfters die Temperatur bestimmter Bauteile oder des Innenraums eines Stromversorgungsgehäuses forciert zu kühlen. Sofern diese Maßnahme bereits dazu führt, dass die Temperaturen oder Kombinationen von Temperaturen unterhalb ihrer kritischen Werte fallen, wird weiters nichts erfolgen bzw. nach einer Zeit wird die Lüftersteuerung wieder deaktiviert. Bereits zum Zeitpunkt der Aktivierung der Lüftersteuerung kann allerdings bereits ein Alarmsignal ala ausgegeben werden, beispielsweise an einen Leitrechner oder an eine Warnlampe, etc. Falls die Inbetriebnahme des Lüfters keinen Effekt zeitigt, wird als nächstes ein Abschaltesignal abs an die Steuerung AST abgegeben, welche den Schaltwandler herunterfährt, z. B. in einen Standby-Betrieb versetzt, bis die Überlastzustände beseitigt sind.
Für den Benutzer kann es zweckmäßig sein, wenn die Steuerung STE auch einen Speicher SPE samt einer Anzeige ANZ enthält, in welcher der Stromverlauf insbesondere vor dem Zeitpunkt des Abschaltens dargestellt ist, wobei beispielsweise ein Zeitraum von 10 bis 100 Sekunden ins Auge gefasst werden kann. Der Anwender kann aus dieser Aufzeichnung auf mögliche Ursachen der Abschaltung schließen.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform entspricht in ihrem Aufbau als Flusswandler- Schaltwandler jener nach Fig. 1. Unterschiedlich zu der Ausführung nach Fig. 1 ist jedoch, dass sich das thermische Modell THM nicht auf elektrische Größen der Stromversorgung stützt, sondern auf mit Hilfe von Temperatursensoren gemessene Temperaturen, welche unterschiedlichen Bauelementen der Stromversorgung zugeordnet sind.
Insbesondere ist zunächst ein Temperatursensor TS1 vorgesehen, welcher die Raumtemperatur bzw. Umgebungstemperatur der Stromversorgung erfasst. Ein weiterer Temperatursensor TS2 misst hier die Temperatur an einem Kühlkörper KK des primären Schalters S. Die Temperatur an einem Kühlkörper KK, welcher den beiden Dioden D3 und D4 sekundärsei- tig gemeinsam ist, wird mit Hilfe eines Temperatursensors TS3 erfasst und dem Übertrager UET ist ein Temperatursensor TS4 zugeordnet, welcher beispielsweise wärmeleitend mit dem Kern des Übertragers UET verbunden ist.
An Hand der ermittelten Temperaturen kann die Steuerung mit Hilfe des thermischen Modells die tatsächlich kritischen Temperaturwerte, z. B. die Chiptemperatur eines Halbleiters oder die Wicklungstemperatur des Übertragers, errechnen bzw. abschätzen und sodann bei Erreichen vorgebbarer Grenzwerte bzw. einer bedenklichen Kombination solcher Grenzwerte das bereits vorher angesprochene Begrenzungssignal oder mehrere entsprechende Signale abgeben.
Zur Temperaturmessung ist zu bemerken, dass mit vernünftigem Aufwand de facto nie die tatsächlich kritischen Temperaturen gemessen werden können, insbesondere die Temperaturen am Chip eines Halbleiters. Die verschiedenen Bauelemente müssten angebohrt werden, wobei auch noch besondere Anforderungen an die Isolierung des Temperatursensors gestellt werden. Somit werden Temperaturen gemessen, die in einem Zusammenhang mit dem jeweiligen Bauelement stehen, wie die Gehäusetemperatur eines Halbleiters oder die Temperatur an einem bestimmten Punkt des Kühlkörpers eines Halbleiters. Auch bei dem Übertrager kann man oft schwer die Wicklungstemperatur oder die Kerntemperatur messen, sodass man beispielsweise die Leiterplattentemperatur an den elektrischen Anschlüssen eines Übertragers misst. Das thermische Modell enthält alle jene Parameter, die erforderlich sind, um von den tatsächlich gemessenen Temperaturen sicher und zeitabhängig auf die relevanten, d. h. kritischen Temperaturen schließen zu können. Insbesondere sind hier der Wärmeübergangswiderstand zu nennen und die thermischen Zeitkonstanten. Bekannt ist es weiters, dass beispielsweise für die Erwärmung des Übertragers sowohl der Laststrom als auch die Eingangsspannung von Bedeutung sind, nämlich der Laststrom wegen der Kupferverluste und die Eingangsspannung wegen der mit steigender Eingangsspannung steigender kapazitiven Verluste. Auch dies kann berücksichtigt werden und in Fig. 2 ist angedeutet, dass die Eingangsspannung und der Eingangsstrom dem thermischen Modell als Parameter zugeführt.
Um beispielsweise die tatsächliche Diodentemperatur einer der Dioden D3 oder D4 genau ermitteln zu können, wird zu dem tatsächlich gemessenen Kühlkörpertemperatursignal ein aus dem bekannten Laststrom abgeleitetes Signal addiert. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann sich z. B. jedes Ampere Laststrom so auswirken, dass zum Kühlkörpermesswert ein Signal addiert wird, welches diesen Messwert um zwei Kelvin höher erscheinen lässt. Sinngemäß gleiches kann bei dem Übertrager berücksichtigt werden.
Es ist weiters anzumerken, dass außer den in den Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Möglichkeiten der Erfassung von Betriebsparameterwerten auch andere Kombinationen verwendet werden können. Man kann dem thermischen Modell beispielsweise sämtliche elektrische Größen an der Primär- und an der Sekundärseite zuführen und darüber hinaus auch eine größere Anzahl von Temperaturwerten. Natürlich wird man den Gegebenheiten entsprechend eine ökonomische Auswahl treffen, die beispielsweise berücksichtigt, ob für die Übertragung von Messwerten Optokoppler oder andere isolierende und den Aufbau verteuernde Maßnahmen erforderlich sind oder nicht.
Im Allgemeinen wird die Steuerung STE bzw. das thermische Modell THM einen digitalen Prozessor DSP enthalten, welcher es beispielsweise ermöglicht, die Erwärmung eines oder mehrerer Bauteile permanent mitzurechnen. Allerdings ist damit eine relativ hohe Rechenleistung verbunden, da das thermische Modell oft, z. B. einige Male je Sekunde, aktualisiert werden muss. Eine andere Möglichkeit besteht darin, in einem Eprom eine Liste der möglichen Kombinationen an möglichen Betriebsparameter-Werten zu hinterlegen. Der Prozessor muss dann lediglich die entsprechende Parameterliste finden und den dort hinterlegten Befehl ausführen. Eine solche Liste kann z. B. hundert „IF"-Anweisungen enthalten, wie z. B. die folgende: „IF" Umgebungstemperatur < 20° C „AND" Laststrom < 1,2 x inenn „THEN" Warnsignal in 32 sec.
Die Steuerung mit dem thermischen Modell ist prinzipiell nicht an einen digitalen Prozessor DSP gebunden, sondern es lässt sich das gesamte thermische Modell auch mit Operationsverstärkern, Kondensatoren und Widerständen analog nachbilden. Im Allgemeinen ist dies jedoch eher aufwändig und bei der derzeitigen Verfügbarkeit günstiger Prozessoren nicht günstig.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Schaltnetzteil zur Versorgung einer Last mit einer geregelten Ausgangsspannung (UA)/ Ausgangsstrom (IA) und mit zumindest einem von einer Ansteuerschaltung (AST) angesteuerten Schalter (s), über welchem eine Eingangsgleichspannung (Uv) geschaltet wird und mit einer Abschaltsteuerung für Überlastzustände, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (STE) vorgesehen ist, in welche ein thermisches Modell (THM) implementiert ist, mit dessen Hilfe die Temperatur zumindest eines Bauelements (S; D3, D4, UET) errechenbar bzw. abschätzbar ist, wobei dem thermischen Modell als elektrische Größe zumindest ein Stromwert, der lastabhängig ist, zur Verfügung gestellt ist, die Steuerung (STE) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von errechneten bzw. abgeschätzten Temperaturwerten bei Erreichen vorgebbarer Grenzwerte oder einer Funktion mehrerer Grenzwerte zumindest ein Begrenzungssignal (abs, a la) abzugeben, welches im Sinne eines Eingreifens zur Temperaturverminderung einsetzbar ist, und zumindest ein Begrenzungssignal (abs) der Ansteuerung (AST) zuführbar ist, welches im Sinne einer Temperatur- und damit einer Leistungsverminderung auf die Ansteuerschaltung einwirkt.
2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Begrenzungssignal (abs) zum primär/ sekundärseitigen Abschalten der Stromversorgung herangezogen ist.
3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Begrenzungssignal (est) zur Steuerung einer Kühl-/ Belüftungseinrichtung herangezogen ist.
4. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Begrenzungssignal (ala) als Alarmsignal herangezogen ist.
5. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Temperatursensor (TS1 .... TS4) zur Erfassung von/ für die Stromversorgung relevanten Temperaturen vorgesehen ist, wobei das Signal des zumindest einen Temperatursensors in das thermische Modell (THM) einbeziehbar ist.
6. Schaltnetzteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (TS1) für die Umgebungstemperatur der Stromversorgung vorgesehen ist.
7. Schaltnetzteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (TS2, TS3) zur Erfassung der Temperatur eines Halbleiter-Bauelements und/ oder seiner thermisch relevanten Umgebung vorgesehen ist.
8. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (TS4) zur Erfassung der Temperatur eines Transformators (VET) und/ oder seiner thermisch relevanten Umgebung vorgesehen ist.
9. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem thermischen Modell (THM) als elektrische Größe zumindest der Ausgangsstrom (IA) der Schaltnetzteil zur Verfügung gestellt ist.
10. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem potentialtrennenden Transformator, dadurch gekennzeichnet, dass dem thermischen Modell als elektrische Größe der pri ärseitige Strom zur Verfügung gestellt ist.
11. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Modell (THM) abgespeicherte thermische Zeitkonstanten einzelner Bauelemente enthält, welche bei der Errechnung/ Abschätzung von Bauelementtemperaturen berücksichtigt werden.
12. Schaltnetzteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Modell (THM) zur laufenden Berechnung der Temperatur von Bauelementen unter Berücksichtigung der abgespeicherten thermischen Zeitkonstanten eingerichtet ist.
13. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Modell (THM) eine Liste möglicher Kombinationen der Zuordnungen von Betriebsparameterwerten und Begrenzungssignalen enthält und die Steuerung dazu eingerichtet ist, entsprechend von Messwerten aus dieser Liste zumindest ein Begrenzungssignal auszuwählen und abzugeben.
14. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung zumindest einen digitalen Prozessor enthält.
15. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung zumindest teilweise analog aufgebaut ist.
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