WO2007025702A2 - Steuerungsanordnung für einen spannungskonverter und verfahren - Google Patents

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WO2007025702A2
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    • 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
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement for a voltage converter for converting a first DC voltage into a second DC voltage, a voltage converter and a method for converting a first DC voltage into a second DC voltage.
  • Voltage converters which serve to convert a first DC voltage to a second DC voltage usually require a control arrangement for their operation in order to supply an active component in the voltage converter with a control signal.
  • Voltage converters can be used both to downconvert a DC voltage and to generate a higher DC voltage. They are also referred to as DC / DC converter, English direct current / direct current converter, abbreviated DC / DC converter.
  • transformers are usually used. A primary side of the transformer is coupled to a voltage source, while on a secondary side of the transformer, the generated voltage can be tapped.
  • the document US 6,518,733 Bl shows a circuit and methods for circuits for charging capacitors.
  • the circuit shows a transformer with a primary and a secondary side. A current flows from a voltage source across the primary side of the transformer and through a bipolar transistor and a first resistor to ground. One terminal of the secondary side is connected to ground via a second resistor. The tensions over the first and second resistors are tapped and used for control.
  • the circuit thus employs signals from the primary and secondary sides of the transformer to control the voltage converter.
  • the object of the present invention is to provide a control arrangement with which a voltage converter for converting a first DC voltage into a second DC voltage can be controlled with little effort, as well as a voltage converter and a method with little effort for converting a first DC voltage into one provide second DC voltage.
  • the object with respect to the arrangement is achieved by a control arrangement for converting a first DC voltage into a second DC voltage having a first input, a first output, a computing unit and a first comparator.
  • the first input of the control arrangement is designed to be connected to a means for detecting a first current.
  • the first current can be tapped off on a primary side of a transformer which can be connected to the control arrangement according to the proposed principle and which can be connected to convert a first direct voltage into a second direct voltage.
  • the first output of the control arrangement is designed for connection to a control terminal of a transistor which can be connected to the control arrangement.
  • a controlled path of the transistor is switchable in series with the primary side of the transformer.
  • the first output is configured to deliver a control signal to the control terminal of the transistor.
  • the arithmetic unit is connected to the first output of the control arrangement. It is set up to set the control signal of the transistor such that a controlled path of the transistor in its turn-on with a turn-on shows a lower resistance value compared to the resistance in its turn-off with a turn-off.
  • the first comparator is connected at a first input to the first input of the control arrangement.
  • the first input of the control arrangement is used to supply a
  • the first comparator comprises an output which is coupled to an input of the arithmetic unit.
  • the output of the first comparator is used to set the turn-off of the controlled path of the transistor.
  • the control arrangement thus generates a control signal which alternately switches the controlled path of the transistor to a low and a high resistance state.
  • the control arrangement is set up in such a way that energy can be supplied to the transformer in the switch-on phase on the primary side, and energy can be taken from the secondary side to the transformer, in particular during the switch-off phase.
  • the first current thus flows on the primary side, which can increase with increasing duration.
  • the switch-off phase the first current is practically non-existent, while a second current flowing on a secondary side of the transformer is relatively high.
  • the energy content of the transformer essentially results from a value of the first current, while in the turn-off phase, the same energy content of the transformer yields approximately the second current.
  • a ratio of the second current at the beginning of the turn-off phase to the first current at the end of the turn-on phase depends on a ratio of a primary side inductance to a secondary side inductance, and thus a ratio of primary side turn number to secondary side turn number ,
  • the second current decreases with increasing duration during the turn-off phase. This can be caused by charging a further energy-storing component, such as a capacitor, ohmic losses, losses in a downstream rectifier or by removal by a load.
  • a value of the first current at the beginning of the turn-on phase is dependent on the value of the second current at the end of the turn-off phase. Further, the value of the first current at the beginning of the turn-on phase is the reciprocal of the ratio of the inductance on the primary side to the inductance on the secondary side and thus of the reciprocal of the ratio of the turn number on the primary side to the turn number dependent on the secondary side. This is caused by the fact that the energy content of the transformer is reflected in the amount of the second current at the end of the switch-off phase and at the level of the first current at the beginning of the switch-on phase.
  • the second current in the switch-off phase does not drop below a minimum value.
  • the control arrangement is therefore set up to reduce the switch-off duration so that the second current can not fall below the minimum value at the end of the switch-off phase.
  • the comparator is designed to compare a value of the first current or a value, which can be derived from the value of the first current, with the settable desired value.
  • the control arrangement is set up for setting a shorter switch-off duration if the value of the first current or of the value derived from the value of the first current is smaller than the settable desired value. Therefore, the control arrangement is designed to shorten the following switch-off phase compared to the previous switch-off phase in this case.
  • the control arrangement is set up to set a longer switch-off duration, provided that the value of the first current or of the value derived from the value of the first current is greater than the settable desired value. Therefore, the control arrangement is designed to extend the following switch-off phase compared to the previous switch-off phase.
  • the turning on and turning off of the controlled path of the transistor may be a periodically repeating action controlled by the control arrangement by means of the control signal.
  • the switch-off duration is from the value of the first current or from the value that is the value The first current is dependent, and is set by means of the arrangement set forth here.
  • the control arrangement that the second current does not fall below an adjustable threshold.
  • the switch-off duration is suitably regulated by the control arrangement.
  • control arrangement comprises an averaging device.
  • the mean value generator is connected between the first input of the control arrangement and the first input of the first comparator.
  • the averaging device is set up for determining an average value from the value of the first current during a switch-on phase and from at least one further value of the first current following in the same switch-on phase.
  • the mean value generator can be designed as a low-pass filter to which a plurality of successive values of the first current are supplied during the connection phase.
  • the low-pass filter advantageously reduces an influence of a disturbance which may be caused by the switching.
  • the low-pass filter can be designed as a passive low-pass filter or alternatively as an active low-pass filter.
  • the mean value generator may alternatively be embodied as an integrator which integrates a plurality of successive values of the first current during the turn-on phase.
  • the integrator may be configured to integrate values of the first current during the entire turn-on phase. Alternatively, it can be configured to detect values only after the decay of possible disturbances.
  • the integrator can be designed to integrate after an adjustable waiting time for the decay of e-existing existing interference for an adjustable duration, the duration is smaller than the expected turn-on time less the waiting time is adjustable.
  • the integrator is additionally designed as a holding element and designed to hold its output signal after an end of the integration until the beginning of the next integration.
  • control arrangement comprises a delay device.
  • the delay device is used to determine the value of the first current such that by means of the delay device, the first current is sampled with an adjustable delay duration compared to the beginning of the turn-on phase.
  • the delay device is connected between the first input of the control arrangement and the first input of the first comparator.
  • the adjustable delay time can be 0.
  • the adjustable delay duration is greater than 0, so that an optionally existing fault at the beginning of the turn-on before the determination of the value of the first current has subsided.
  • the delay means comprises a sample and hold circuit. With this circuit, the value of the first current or the value derived from the value of the first current can be determined and recorded with the adjustable delay duration relative to the start of the connection phase until a new value is determined in a subsequent connection phase.
  • the arithmetic unit comprises a microcontroller.
  • the arithmetic unit includes a plurality of interconnected digital gates for providing the control signal alternately for the power up phase and for the power off phase with the power off duration.
  • the arithmetic unit also includes analog gates in addition to digital gates.
  • Analog gates may be designed to provide a control signal in the turn-on phase with an adjustable voltage or current value.
  • analog gates can be provided for providing a control signal in the switch-off phase with an adjustable voltage or current value.
  • Analog gates can be provided to realize the turn-on and the turn-off.
  • the arithmetic unit for further processing of a first signal which can be tapped off at the output of the first comparator is set up.
  • the arithmetic unit is designed to determine the switch-off duration for the next switch-off phase or a value representing this switch-off duration from the first signal.
  • control arrangement comprises an analog controller which is coupled on the input side to the output of the first comparator and on the output side to an input of the arithmetic unit.
  • the analog controller serves to determine a first signal representing the switch-off duration.
  • the reference value of the control loop is the adjustable reference value, which is supplied to the second input of the first comparator.
  • the control loop comprises the Ana- logregier, the arithmetic unit, the controlled path of the transistor, the transformer, the means for detecting a first current and the first comparator, the output side is coupled to close the control loop with the analog controller. Between the means for detecting a first current and the first comparator, the mean value generator, the delay device or the integrator can be connected.
  • the analog controller can be designed as a proportional controller, abbreviated P controller.
  • the analog controller can be designed as a proportional-integral controller, abbreviated PI controller.
  • the analog controller may be formed as a proportional-integral-differential controller, abbreviated PID controller.
  • the control arrangement can be connected at one connection to a supply potential connection and at another connection to a reference potential connection.
  • the supply potential connection can be coupled to a battery.
  • the duty cycle can be a constant adjustable value.
  • control arrangement is set up so that the transistor can be switched from the turn-on phase into the turn-off phase as soon as the first current or the value derived therefrom in the turn-on phase exceeds an adjustable current limit value.
  • the control arrangement comprises a second comparator, which is coupled at its output to a further input of the arithmetic unit. The comparator is connected at its first input to the first input of the control arrangement.
  • the comparator is therefore supplied with the value of the first current or a value derived therefrom of the first current at the first input.
  • the adjustable current limit can be applied.
  • the comparator outputs a signal which is formed as a function of the value of the first current or the value derived from the first current and the adjustable current limit value.
  • the control arrangement can advantageously be designed to end the switch-on phase after reaching the current limit value.
  • the transformer can have the same energy content at the end of the switch-on phase assuming secondary-side idling in the switch-on phase.
  • control arrangement comprises a second input.
  • the second input is adapted to supply a second voltage, which can be tapped between a first and a second primary-side terminal of the transformer.
  • control arrangement is set up to supply a further voltage to the second input, which is derivable from the second voltage.
  • the primary side of the transformer can be connected, which serves for converting the first DC voltage into the second DC voltage.
  • the second DC voltage can thus be a secondary voltage occurring during operation.
  • the control arrangement configured to extend the turn-off of the transistor by an adjustable extension period when the second DC voltage reaches a preset value. It is an advantage of this development that thereby the second DC voltage is limited.
  • control arrangement is designed to extend the turn-off of the transistor by the adjustable extension period, when the second voltage or the further voltage derived from the second voltage reaches a first adjustable voltage limit during the turn-off.
  • the control arrangement comprises a third comparator.
  • the third comparator is coupled at a first input to the second input of the control arrangement.
  • the third comparator can be fed to the first adjustable voltage limit at a second input.
  • the third comparator is connected at an output to the arithmetic unit and designed to output a third signal.
  • the third signal serves to extend the switch-off phase by the adjustable extension duration as a function of the comparison of the second voltage or the voltage derived from the second voltage and the first adjustable voltage limit value.
  • control arrangement is designed to set a resistance value of the controlled path of the transistor during the transition from the turn-on to the turn-off phase.
  • the control arrangement is designed to set the resistance value such that the second voltage or the voltage derived from the second voltage has a second adjustable voltage limit does not exceed.
  • this can reduce the risk that the voltage converter will endanger voltage-sensitive components or persons with a voltage increase and a high increase.
  • the control arrangement comprises a fourth comparator for this purpose.
  • the fourth comparator is coupled at a first input to the second input of the control arrangement.
  • the fourth comparator is supplied to the second adjustable voltage limit at a second input.
  • the fourth comparator is connected to the arithmetic unit in such a way that the resistance value of the transistor can be regulated with the second adjustable voltage limit as a function of the comparison of the second voltage or the voltage derived from the second voltage.
  • the second adjustable voltage limit value has the same value
  • the third comparator can be used to realize this development.
  • the fourth comparator can advantageously be dispensed with.
  • the first and / or the second and / or the third and / or the fourth comparator can be designed to output digital signals at its output or alternatively signals corresponding to a value of 1, -1 and 0.
  • the first and / or the second and / or the third and / or the fourth comparator can be designed as a comparator.
  • the first and / or the fourth comparator is designed to provide as an output signal an analog signal representing a difference of the signals at its first and second inputs.
  • the first and / or the fourth comparator can be designed as a differential amplifier for this purpose.
  • the arithmetic unit is thus supplied with the first signal and / or the fourth signal in analog form and can be used for precise control of the control signal.
  • the arithmetic unit is designed such that it forms a control signal which switches off the transistor with a low edge steepness.
  • the arithmetic unit can for this purpose include a low-pass filter for influencing the time constant of the shutdown.
  • the low-pass element can additionally be provided for slowing down the connection.
  • a disruptive radiation is thus reduced when switching off and when switching on.
  • the low-pass element can be realized as a resistor-capacitor element, abbreviated RC element.
  • a voltage converter comprises the transformer, the transistor, the means for detecting a first current, a rectifier circuit and the
  • the rectifier circuit is coupled to a secondary side of the transformer. At the output of the rectifier circuit, the second DC voltage, so an output voltage of the voltage converter, can be tapped. At its first output, the control arrangement is connected to the control terminal of the transistor.
  • the means for detecting a first current comprises a first resistor connected in series with the transformer and the transistor. The control arrangement is coupled at its first input to a terminal of the first resistor.
  • a resistance of the first resistor is chosen so small that the ohm 'losses are low.
  • the rectifier circuit comprises a diode and a capacitor, which are connected in series with one another.
  • the series connection of the diode and the capacitor is coupled to a first and a second secondary side terminal of the transformer.
  • the second DC voltage can be tapped. Due to the high cost of components which are suitable for higher voltages, the number of components of the rectifier circuit is advantageously kept small.
  • the diode of the rectifier circuit is connected to the first and the second terminal of the secondary side of the transformer in such a way that the diode is connected in the forward direction in particular in the switch-off phase with respect to the second current.
  • the rectifier circuit comprises a bridge rectifier or a mid-point circuit. It is an advantage of this development that the bridge rectifier circuit and the mid-point circuit are constructed symmetrically, so that the terminals of the rectifier circuit can be interchangeably connected to the first and the second secondary-side terminal of the transformer.
  • the transistor can be realized as an analog switch or as an electronic switch.
  • the transistor may be designed as a bipolar transistor. In another embodiment, the transistor is designed as a field effect transistor. In a development, the transistor is realized as an N-channel field effect transistor. In a preferred embodiment, the transistor is designed as an N-channel metal oxide semiconductor field effect transistor.
  • control arrangement is integrated on a semiconductor body.
  • specialized production technologies can be used for the realization of the control arrangement and for the realization of the transistor.
  • the transistor may be implemented in a power transistor technology.
  • the transistor is realized together with the control arrangement on a semiconductor body. It is an advantage of this embodiment that this reduces the total number of terminals in the voltage converter and that the control order can be interpreted especially for the transistor provided on the same chip.
  • the voltage converter can be used to generate a higher voltage.
  • the higher voltage may be 100 to 400 volts in an exemplary embodiment.
  • the transformer may, in an exemplary embodiment, have a turns ratio of 1:20 to 1: 100.
  • the voltage converter may be advantageously used to generate a voltage for operating a xenon lamp.
  • the voltage converter can be used advantageously in a device of mobile communication technology.
  • the voltage converter may be used to particular advantage in a mobile communications device to provide a higher voltage for a flash lamp.
  • the voltage converter can be used advantageously in a digital camera.
  • the object is achieved by a method for converting a first DC voltage into a second DC voltage, comprising the following steps:
  • a first DC voltage is applied to a primary side of a transformer to store energy in the transformer.
  • a transistor is operated in a low-resistance state.
  • the transistor is connected in one of the supply lines of the first DC voltage to the primary side of the transformer.
  • a first current flows through the primary side of the transformer.
  • a turn-off phase of the transistor with a turn-off period energy is delivered to a secondary side of the transformer.
  • the transistor is operated in a high-impedance state.
  • the switch-off duration is determined from a value of the first current in the switch-on phase or from a value that can be derived from the value of the first current in the switch-on phase.
  • the second DC voltage is generated by rectifying a second current output from the secondary side of the transformer.
  • the control assembly does not need to be connected to the secondary side of the transformer to pick up input signals to the controller.
  • the voltage converter has no conductive connection from the secondary to the primary side of the transformer. From the secondary to the primary side, there is only an inductive coupling by means of the transformer.
  • the reference potential on the secondary side of the transformer can thus be selected completely independently of the reference potential on the primary side of the transformer.
  • the voltage converter requires only a few components that are to be used for wiring the control arrangement and the transformer.
  • FIGS. 1A and 1B respectively show exemplary voltage converters according to the proposed principle.
  • FIGS. 2A to 2E show exemplary embodiments of a part of the control arrangement.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a subtractor.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a computing unit.
  • FIG. 5 shows exemplary signal profiles of a voltage converter.
  • FIG. 1A shows an exemplary embodiment of the voltage converter with a control arrangement according to the proposed principle.
  • the voltage converter comprises a transformer 11, the control arrangement 1, a rectifier 21 and further components which are connected between a primary side of the transformer 11 and the control arrangement 1.
  • the primary side of the transformer 11 has a first primary-side terminal 12 and a second primary-side terminal 13.
  • the primary side of the transformer 11 is connected in series with a controlled path of a transistor 16 and a first resistor 10.
  • the first primary side terminal 12 of the transformer 11 is connected to a supply voltage terminal 9.
  • the first resistor 10 is connected at one terminal to the transistor 16 and at another terminal to a reference potential terminal 8.
  • the transistor 16 is formed in the exemplary embodiment according to FIG IA as a self-blocking N-channel metal oxide semiconductor field effect transistor.
  • An output 7 of the control arrangement 1 is connected to a control input 17 of the transistor 16.
  • a node between see the transistor 16 and the first resistor 10 is connected to a first input 3 of the control arrangement 1.
  • a node between the transistor 16 and the primary side of the transformer 11 is connected to a second input 5 of the control device 1.
  • the control arrangement 1 is connected to the supply voltage connection 9.
  • the control arrangement 1 is connected to the reference potential terminal 8.
  • the control arrangement 1 uratudet a low-pass filter 40, at the output of a first comparator 42 is connected.
  • An input of the low-pass filter 40 is connected to the input 3 of the control arrangement 1.
  • a second input of the first comparator 42 is an adjustable setpoint SOl supplied.
  • An output of the first comparator 42 is linked to an input of a computing unit 2.
  • the arithmetic unit 2 is connected on the output side to the output 7 of the control arrangement 1.
  • a second comparator 50 is connected to the first input 3 of the control arrangement 1 at a first input. At a second input of the second comparator 50, a current limit value SG1 is supplied. The second comparator 50 is linked on the output side to a further input of the arithmetic unit 2.
  • the control arrangement 1 further comprises a subtractor 60 whose first input is connected to the third input 6 of the control arrangement 1 and whose second input is connected to the second input 5 of the control arrangement 1.
  • An output of the subtracter 60 is connected to a first input of a third comparator 61.
  • the third comparator 61 is subjected to an adjustable first voltage limit value SPG1.
  • An output of the third comparator 61 is connected to a further input of the arithmetic unit 2.
  • the output of the subtracter 60 is further connected to a first input of a fourth comparator 71.
  • a second input of the fourth comparator 71 is supplied with an adjustable second voltage limit SPG2.
  • One Output of the fourth comparator 71 is connected to a further input of the arithmetic unit 2.
  • the transformer 11 comprises a first and a second secondary-side terminal 14, 15.
  • a rectifier circuit 21 which comprises two inputs and two outputs connected.
  • An output of the rectifier 21 is connected to a further reference potential terminal 27.
  • the reference potential terminal 8 and the further reference potential terminal 27 are not connected in the voltage converter according to FIG IA. Primary and secondary side are thus galvanically isolated.
  • a first DC voltage UBAT is supplied to the voltage converter.
  • the transistor 16 is switched to a low-resistance state.
  • the transistor 16 is thus supplied at its input 17, a control signal ST which is higher than a positive threshold voltage, since it is realized as a self-blocking N-channel metal oxide semiconductor field effect transistor.
  • a first current Il flows from the first DC voltage UBAT from the supply voltage terminal 9 via the primary side of the transformer 11 and through the transistor 16 and the first resistor 10 to the reference potential terminal 8. This results in approximately the following equation for the startup phase:
  • UBAT U2 + UDS + Ul, wherein UBAT is the first DC voltage, U2 is a second voltage which drops between the first and second primary side terminals 12, 13 of the transformer 11, UDS is a voltage across the controlled path of the transistor 16, and Ul is a voltage higher than the first Resistor 10 drops.
  • the voltage U2 can be calculated in the start-up phase at an idle on the secondary side approximately with the following equation:
  • the voltage Ul can be calculated with the following equation:
  • the first voltage Ul is thus a measure of the current flowing through the primary side of the transformer 11 current Il in the turn-on.
  • the first voltage Ul is supplied to the control arrangement 1 at the first input 3.
  • the low-pass filter ter 40 is designed so that it forms an average of successive values of the first voltage Ul during the turn-on.
  • the mean value is then compared by means of the first comparator 42 with the settable setpoint value SO1. From the output of the first comparator 42, a first signal Sl is output, which is the arithmetic unit 2 is supplied. If the average value is smaller than the setpoint value SO1, then the off-time T-OFF in the following switch-off phase is shortened by the arithmetic unit 2 compared to the value in the previous switch-off phase. Is the mean greater than that
  • the off-time T-OFF of the following switch-off phase is extended by the arithmetic unit 2 with respect to the value in the previous switch-off phase. If the following switch-off phase is the first switch-off phase after a start-up of the voltage converter, then an adjustable start duration for the switch-off period T-OFF can be supplied to the arithmetic unit 2, which increases or clears the arithmetic unit 2 as described by means of the first signal S1 occurring in the first switch-on phase reduced.
  • the first current Il increases.
  • the first voltage Ul is supplied to the second comparator 50.
  • the second comparator 50 outputs at its output a second signal S2 which is fed to the computing unit 2. If the first current Il exceeds the adjustable current limit value SG1 or the first voltage U1 a corresponding voltage limit value, then the arithmetic unit 2 is driven by the second comparator 50 and the second signal S2 to supply a control signal ST for switching the transistor 16 from the low-resistance state in the high-impedance state and thus switches the controlled path of the transistor 16 of the start-up phase in the off phase.
  • the switch-off phase there is an open-circuit on the prirror side. With an open circuit on one side of a transformer, the voltages on the primary side and on the secondary side can be approximated using the following equation:
  • U4IU2 W2IW ⁇
  • U2 is the voltage on the primary side of the transformer 11
  • U4 is a voltage on the secondary side of the transformer 11
  • Wl is a number of turns on the primary side of the transformer 11
  • W2 is a number of turns on the secondary side of the transformer 11.
  • the value of the fourth voltage U4 can be determined approximately with the o-biger equation from the value of the second voltage U2.
  • the subtracter 60 in the control arrangement 1 compares a potential at the second input 5 with a potential at the third input 6 of the control arrangement 1.
  • the negative value of the second voltage U2 which can be tapped between the first and the second voltage U2 can thus be tapped off at the output of the subtracter 60 the second primary-side connection occurs.
  • the second voltage U2 may assume negative values at the beginning of the switch-off phase or in the switch-off phase.
  • the coupling of the subtractor 60 with the second and the third input 5.6 is selected so that at its output a positive voltage can be tapped.
  • the second voltage U2 is compared by the third comparator 61 with the adjustable first voltage threshold SPG1. chen.
  • the first voltage limit SPG1 may have a positive value.
  • the third signal S3 applied to the output of the third comparator 61 is fed to the arithmetic unit 2. If the value of the second voltage U2 is higher in magnitude than the first adjustable voltage threshold SPG1, then the arithmetic unit 2 is triggered by means of the third comparator 61 and the signal S3 in such a way that it extends the switch-off phase by an adjustable extension period TR. The end of the extended switch-off phase is followed by another switch-on phase. This means that the second DC voltage UG has reached a maximum value.
  • the extension duration TR is longer than the switch-off duration T-OFF in the exemplary voltage converter of FIG. 1A.
  • the switch-off phase is terminated by the arithmetic unit 2 by means of the control signal ST after the switch-off period T-OFF determined in the preceding switch-on phase. This happens because the control signal ST switches the transistor 16 from the high-impedance state to the low-resistance state.
  • the voltage U4 on the secondary side of the transformer 11 is converted into the second DC voltage U-G.
  • the second DC voltage U-G can be tapped.
  • the control arrangement 1 monitors by means of the second voltage U2 applied to the second and the third input 5 and 6, the subtracter 60 and the fourth comparator. Chers 71, the voltage on the primary side of the transformer 11.
  • the fourth comparator 71 outputs a fourth signal S4, when the second voltage U2 amount exceeds a second adjustable voltage limit SPG2.
  • the arithmetic unit 2 is set so that it outputs a control voltage ST, which controls the transistor 16 during the start-up phase so that no overvoltage can occur on the primary side.
  • the voltage drop Ul across the first resistor 10 can be taken into account in one embodiment.
  • the switch-off duration T-OFF is advantageously determined so that the duration of the entire charging process is optimized.
  • the first current Il is advantageously limited so that the power consumption of the voltage converter and the current from the supply voltage do not become too great. It is another advantage of the current limiting that the windings of the transformer 11 are not too warm.
  • the switch-off T-OFF is substantially extended, so that advantageously a too high second DC voltage UG is avoided and the efficiency of the energy utilization is improved.
  • the switch-off is controlled so that excessively high voltages are avoided.
  • the reference potential terminal 8 and the further reference potential terminal 27 can be connected to one another.
  • FIG. 1B shows an exemplary development of the voltage converter according to FIG. 1A.
  • the rectifier circuit 21 has a series circuit comprising a diode 25 and a capacitor 26.
  • the two electrodes of the capacitor 26 are connected to two terminals, which serve for tapping the second DC voltage U-G.
  • the diode 25 is connected to be conductive during the turn-off phase.
  • the anode of the diode 25 is connected to a second secondary-side terminal 15 of a transformer 11.
  • a first secondary-side terminal 14 of the transformer 11 is connected to one of the two electrodes of the capacitor 26.
  • a node between the capacitor 26 and the first secondary side terminal 14 of the transformer 11 is connected to the other reference potential terminal 27.
  • the further reference potential terminal 27 is advantageously isolated from the reference potential terminal 8.
  • a second resistor 23 is connected between the second primary-side terminal 13 and the second input 5 of the circuit arrangement 1.
  • a third resistor 24 is provided between the supply potential terminal 9 and the second input 5 of the control arrangement 1.
  • At the series circuit of the diode 25 and the capacitor 26 is the secondary side of the transformer 11 occurring voltage U4.
  • the anode of the diode 25 is connected to one of the two secondary-side terminals 14, 15 of the transformer 11 in such a way that in the turn-off phase, the second current 12 can flow through the diode 25.
  • the capacitor 26 is charged by the second current 12, so that the second DC voltage UG is generated.
  • the series connection of the second resistor 23 and the third resistor 24 causes the current 13 flowing through the primary side of the transformer 11 during the turn-off phase is not identical zero.
  • the current 13 can flow back via the series connection of the second and the third resistor 23, 24 from the second primary-side terminal 13 to the first primary-side terminal 12.
  • a voltage U3 can be tapped, which is a derivable from the second voltage U2 voltage.
  • a current also flows in the startup phase.
  • a sum of the resistance values of the second and the third resistor 23, 24 is chosen so large that the ohm 1 losses are low.
  • the second resistor 23 is advantageously used to protect the second input 5 of the control arrangement 1 from excessive voltage loading. It is an advantage of the rectifier circuit 21 that only two components are provided for its realization. This is particularly advantageous in voltage converters for generating higher voltages, since voltage-resistant components are more complex to implement.
  • FIG. 2A shows an alternative embodiment of a circuit which is connected to the first input 3 of the control arrangement 1 and generates a first signal S1, which is fed to the input of the arithmetic unit 2.
  • a low-pass filter 40 and a first comparator 42 are provided for this purpose.
  • the low-pass filter 40 of FIGS. 1A and 1B is replaced by an integrator 41. It is designed to integrate only values of the first voltage Ul during the startup phase. It is further designed to be reset to 0 during the power down phase.
  • FIG. 2B shows another alternative embodiment of the above circuit according to FIG. 2A.
  • the low-pass filter 40 of FIGS. 1A and 1B is replaced by a delay device 44. It is thereby achieved that a value of the first voltage U1, which is delayed by an adjustable delay duration TV compared to the beginning of the turn-on phase, is supplied to the first input of the first comparator 42.
  • the delay device 44 has a sample and hold circuit.
  • FIGS. 2C to 2E have, in addition to the previously shown embodiments in FIGS. 1A and 1B or FIGS. 2A and 2B, an analog regulator 43 which is connected between the output of the first comparator 42 and an input of the arithmetic unit 2.
  • FIG. 2C shows the low-pass filter 40, in FIG. 2D the integrator 41 and in FIG. 2E the delay device 44 is connected upstream of the first input of the comparator 42.
  • the signal Sl can be tapped off, which represents the switch-off T-OFF in the embodiments according to Figures 2C to 2E.
  • the arithmetic unit 2 is advantageously relieved, since the analog controller 43 takes over the control tasks.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a subtracter 60 as may be used in the control arrangements 1 according to FIGS. 1A and 1B.
  • the subtractor has an operational amplifier 62 in the circuit arrangement according to FIG.
  • a non-inverting input of the operational amplifier 62 is connected via a resistor 66 to the second input 5 of the control arrangement 1.
  • the non-inverting input of the operational amplifier 62 is connected to the reference potential terminal 8 via a resistor 65.
  • An inverting input of the operational amplifier 62 is connected via a resistor 64 to the third input 6 of the control arrangement 1.
  • the inverting input of the operational amplifier 62 is connected via a resistor 63 to the output of the operational amplifier, which thus forms the output of the subtractor 60. If the four resistors have the same resistance value, a voltage at the output is approximately equal to a difference between the voltages at the two inputs 5, 6.
  • a ratio of the resistance value of the resistor 66 to that of the resistor 65 has a factor k, and if a ratio of the resistance value of the resistor 64 to that of the resistor 63 is the same factor k, the voltage at the output is approximately equal to the difference of the voltages at the two inputs 5, 6 divided by the factor k.
  • a factor k which is greater than 1 a high voltage difference between the voltages at the second and third inputs 5, 6 can thus advantageously be reduced.
  • a voltage occurring between the second input 5 and the third input 6 of the control arrangement 1 is advantageously processed in such a way that it can be tapped between the output of the operational amplifier 62 and the reference potential connection 8 and thus can be further processed.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a computing unit 2 that can be used in the control arrangements 1 according to FIGS. 1A and 1B.
  • the arithmetic unit 2 comprises an overvoltage protection circuit 82, which is connected on the output side via an inverter 83 to a driver circuit 84.
  • the overvoltage protection circuit 82 is connected on the input side to an output of a flip-flop 81.
  • the output of the flip-flop 81 is coupled to a first input of the flip-flop 81 via a delay circuit 80.
  • the flip-flop is formed of two interconnected OR gates.
  • the arithmetic unit 2 the first, second, third and fourth signals Sl to S4 supplied. For this purpose, the arithmetic unit 2 on four control inputs.
  • the first control signal Sl is supplied to the delay circuit 80 and serves to set the off period T-OFF.
  • a first value of the first control signal S1 extends the off period T-OFF for the next cycle, - a second value of the control signal Sl reduces the off period T-OFF for the next cycle.
  • the first value is a value high
  • the second value is a value low.
  • the second control signal S2 is supplied to a second input of the flip-flop 81 and serves to terminate the turn-on.
  • the turn-on time T-ON is thus determined by the second control signal S2.
  • the signal at the output of the flip-flop 81 is thus an input of the delay circuit 80 and an input of the
  • Overvoltage protection circuit 82 is supplied.
  • the overvoltage protection circuit 82 is supplied to the third control signal S3 at a further input.
  • the third control signal S3 serves to extend the switch-off phase by an adjustable extension duration T-R.
  • the driver circuit 84 is supplied at a first input with a signal which is applied to an output of the overvoltage protection circuit 82 and processed by means of the inverter 83. At an output of the driver circuit 84, the control signal ST can be tapped. The driver circuit 84 outputs an analog signal at its output, the transistor 16 according to the transistor characteristics in a low-impedance State in the startup phase and in a high-impedance state in the off phase offset.
  • the driver circuit 84 is supplied with the fourth signal S4.
  • Control signal S4 serves to adjust the resistance of the controlled path of transistor 16 during the transition from the turn on to turn off phase. The resistance of the controlled route is thereby increased only slowly.
  • both the turn-off duration and the turn-on duration and the resistance value of the transistor in the various phases can thus be advantageously set.
  • the turn-on phase is terminated when the first current becomes too large.
  • the switch-off phase is advantageously shortened if it can be determined from a value of the first current Il that the second current 12 is too small towards the end of the switch-off phase.
  • the switch-off phase is extended by the extension duration T-R and thus less energy is taken from a battery which is connected to the supply voltage connection 9.
  • the overvoltage protection circuit 82 may be designed such that the extension duration TR is adjustable by means of a further input 85 of the overvoltage protection circuit 82.
  • the further input 85 of the overvoltage protection circuit 82 is connected to a further input of the control arrangement 1.
  • the overvoltage protection circuit 82 can have a further input 86, which serves for supplying information that, due to an event, is already being transferred to the switch-on phase before the end of the extension period TR.
  • Such an event may be, for example, the emission of a lightning from a light source, which is briefly connected to the second DC voltage.
  • the startup phase is advantageously initiated by the control arrangement 1 before the end of the extension period TR.
  • FIG. 5 shows signal curves of a voltage converter according to a simulation.
  • the signal curves are plotted over the time t.
  • the upper waveform shows the control signal ST in volts.
  • this signal is turned on and off with a period of 20 ⁇ sec.
  • the switch-on time T-ON and the switch-off time T-OFF are permanently set to 10 ⁇ sec.
  • FIG. 5 thus shows the behavior of a voltage converter, which is constructed similarly to the voltage converter according to FIG. 1B, with the control switched off.
  • the middle waveform shows a current 13 which flows through the primary side of the transformer 11. While the control signal is 0 V, the voltage converter is in the turn-off phase and the current 13 is almost zero except for a current spike after turn-off. At the start of the turn-on phase, the current 13 shows a short pulse, indicating a rapid, steep rise followed by a first current value. From this first current value, the current 13 increases approximately linearly. At the end of the switching phase and thus at the beginning of the switch-off phase, the current falls after the current peak at 0 off.
  • the second current 12 in amperes which can be tapped on the secondary side of the transformer 11, is shown as a function of the time t.
  • current 12 in the simulation shows a spike, followed by some oscillations.
  • the second current 12 then decreases approximately linearly with time t.
  • the second current 12 still has a residual current value in three of the four switch-off phases shown.
  • the residual current value means that magnetic energy is still present in the transformer 11 at the end of the switch-off phase. For this reason, the current 13 at the beginning of the start-up phase does not start at 0, but at a higher value. This happens because at the beginning of the turn-on now the current 13 reflects the energy content of the transformer.
  • the second current 12 can not be used for the control, and in one embodiment a single value from the current 13 is used for the indirect determination of the second current 12 at the end of the switch-off period. This is marked with the two arrows. It may be the current value of the current 13 in one embodiment after the short pulse and after the fast, steep rise at the beginning of the startup phase.
  • the switch-off period T-OFF is also not regulated, the residual value of the second current 12 decreases from period to period at the end of the switch-off phase. This could be compensated for by a longer switch-on phase or a shorter switch-off duration T-OFF.
  • FIG. 5 thus shows that a regulation of the turn-on and turn-off duration T-ON, T-OFF for the energy efficiency of the voltage conversion is advantageous.
  • driver circuit 85 input Il first current

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Abstract

Eine Steuerungsanordnung (1) für einen Spannungskonverter zum Wandeln einer ersten Gleichspannung (UBAT) in eine zweite Gleichspannung (U-G) umfasst einen ersten Eingang (3), der zu einer Kopplung mit einem Mittel zum Erfassen eines ersten Stroms (I1) auf einer Primärseite eines Transformators (11) eingerichtet ist. Die Steuerungsanordnung (1) ist ausgangsseitig mit einem Steueranschluss (17) eines Transistors (16) gekoppelt, der in Serie zur der Primärseite des Transformators (11) schaltbar ist. Die Steuerungsanordnung (1) umfasst weiter eine Recheneinheit (2), eingerichtet zum Einstellen des Transistor (16) mit einem niedrigen Widerstandswert während einer Anschaltdauer (T-ON) und mit einem hohen Widerstandswert während einer Ausschaltdauer (T-OFF). Weiter weist die Steuerungsanordnung (1) einen ersten Vergleicher (42) auf zum Vergleich eines Werts des ersten Stroms (I1) oder eines von dem Wert des ersten Stroms (I1) abgeleiteten Werts mit einem einstellbaren Sollwert (SO1). Das Ergebnis des Vergleichs ist der Recheneinheit (2) zum Einstellen der Ausschaltdauer (T-OFF) zugeleitet.

Description

Beschreibung
Steuerungsanordnung für einen Spannungskonverter und Verfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Spannungskonverter zum Wandeln einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung, einen Spannungskonverter und ein Verfahren zum Konvertieren einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung.
Spannungskonverter, die zum Wandeln einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung dienen, benötigen üblicherweise eine Steuerungsanordnung für ihren Betrieb, um ein aktives Bauelement in dem Spannungskonverter mit einem Steuersignal zu beaufschlagen. Spannungskonverter können sowohl zum Abwärtswandeln einer Gleichspannung wie auch zum Erzeugen einer höheren Gleichspannung eingesetzt werden. Sie werden auch als Gleichspannungswandler, englisch direct current / direct current Converter, abgekürzt DC/DC Wandler bezeichnet. Dazu werden üblicherweise Transformatoren verwendet. Eine Primärseite des Transformators wird mit einer Spannungsquelle gekoppelt, während an einer Sekundärseite des Transformators die erzeugte Spannung abgreifbar ist.
Das Dokument US 6,518,733 Bl zeigt einen Schaltkreis und Methoden für Schaltkreise zum Laden von Kondensatoren. Der Schaltkreis zeigt einen Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärseite. Ein Strom fließt von einer Spannungs- quelle über die Primärseite des Transformators und durch einen Bipolar-Transistor sowie einen ersten Widerstand nach Masse ab. Ein Anschluss der Sekundärseite ist über einen zweiten Widerstand mit Masse verbunden. Die Spannungen über dem ersten und dem zweiten Widerstand werden abgegriffen und zur Steuerung verwendet. Die Schaltung setzt somit Signale von der Primär- und der Sekundärseite des Transformators zur Steuerung des Spannungskonverters ein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerungsanordnung zu schaffen, mit der ein Spannungskonverter zum Wandeln einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung mit geringem Aufwand steuerbar ist, sowie einen Span- nungskonverter und ein Verfahren mit je geringem Aufwand zum Konvertieren einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden mit dem Gegenstand des unabhängigen Pa- tentanspruchs 1 sowie des Patentanspruchs 10 und dem Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 16 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich der Anordnung durch eine Steuerungsanordnung zum Wandeln einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung gelöst, die einen ersten Eingang, einen ersten Ausgang, eine Recheneinheit und einen ersten Vergleicher aufweist.
Der erste Eingang der Steuerungsanordnung ist ausgelegt zu einer Verbindung mit einem Mittel zum Erfassen eines ersten Stroms . Der erste Strom ist auf einer Primärseite eines gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip an die Steuerungsanordnung an- schließbaren Transformators abgreifbar, welcher zum Konvertieren einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung anschließbar ist. Der erste Ausgang der Steuerungsanordnung ist zur Verbindung mit einem Steueranschluss eines an die Steuerungsanordnung anschließbaren Transistors ausgelegt. Eine gesteuerte Strecke des Transistors ist in Serie zu der Primärseite des Transformators schaltbar. Der erste Ausgang ist zur Abgabe eines Steuersignals an den Steueranschluss des Transistors eingerichtet.
Die Recheneinheit ist mit dem ersten Ausgang der Steuerungs- anordnung verbunden. Sie ist zur Einstellung des Steuersignals des Transistors derart eingerichtet, dass eine gesteuerte Strecke des Transistors in deren Anschaltphase mit einer Anschaltdauer einen niedrigeren Widerstandswert verglichen mit dem Widerstandswert in deren Ausschaltphase mit einer Ausschaltdauer zeigt.
Der erste Vergleicher ist an einem ersten Eingang mit dem ersten Eingang der Steuerungsanordnung verbunden. Der erste Eingang der Steuerungsanordnung dient zur Zuführung eines
Wertes des ersten Stroms oder eines von dem Wert des ersten Stroms abgeleiteten Werts an den ersten Vergleicher. Ein einstellbarer Sollwert ist dem ersten Vergleicher an seinem zweiten Eingang zuführbar. Der erste Vergleicher umfasst ei- nen Ausgang, welcher mit einem Eingang der Recheneinheit gekoppelt ist.
Der Ausgang des ersten Vergleichers dient zum Einstellen der Ausschaltdauer der gesteuerten Strecke des Transistors . Die Steuerungsanordnung erzeugt somit ein Steuersignal, das die gesteuerte Strecke des Transistors abwechselnd in einen Zustand mit einem niedrigen und in einen Zustand mit einem hohen Widerstandswert schaltet. Die Steuerungsanordnung ist derart eingerichtet, dass dem Transformator Energie in der Anschaltphase primärseitig zuführbar ist und dem Transformator Energie insbesondere in der Ausschaltphase sekundärseitig entnehmbar ist. In der Anschaltphase fließt somit auf der Primärseite der erste Strom, der mit zunehmender Zeitdauer ansteigen kann. In der Ausschaltphase dagegen ist der erste Strom praktisch nicht vorhanden, während ein auf einer Sekundärseite des Transforma- tors fließender zweiter Strom verhältnismäßig hoch ist. In der Anschaltphase ergibt sich im wesentlichen der Energieinhalt des Transformators aus einem Wert des ersten Stroms, während in der Ausschaltphase der gleiche Energieinhalt des Transformators näherungsweise den zweiten Strom ergibt. Ein Verhältnis des zweiten Stroms zu Beginn der Ausschaltphase zu dem ersten Strom zu dem Ende der Anschaltphase hängt von einem Verhältnis einer Induktivität auf der Primärseite zu einer Induktivität auf der Sekundärseite und damit von einem Verhältnis einer Windungszahl auf der Primärseite zu einer Windungszahl auf der Sekundärseite ab. Der zweite Strom nimmt mit zunehmender Zeitdauer während der Ausschaltphase ab. Dies kann durch Aufladen eines weiteren energiespeichernden Bauelementes wie eines Kondensators, Ohm 'sehe Verluste, Verluste in einem nachschaltbaren Gleichrichter oder durch Entnahme durch eine Last hervorgerufen sein.
Ein Wert des ersten Stroms zu Beginn der Anschaltphase ist abhängig von dem Wert des zweiten Stroms am Ende der Ausschaltphase. Weiter ist der Wert des ersten Stroms zu Beginn der Anschaltphase von dem Kehrwert des Verhältnisses der Induktivität auf der Primärseite zu der Induktivität auf der Sekundärseite und damit von dem Kehrwert des Verhältnisses der Windungszahl auf der Primärseite zu der Windungszahl auf der Sekundärseite abhängig. Dies ist dadurch verursacht, dass sich der Energieinhalt des Transformators zum Ende der Ausschaltphase in der Höhe des zweiten Stroms und bei Beginn der Anschaltphase in der Höhe des ersten Stroms widerspiegelt .
Um einen effizienten Aufladevorgang zu erreichen, sinkt vorteilhafterweise der zweite Strom in der Ausschaltphase nicht unter einen Mindestwert. Die Steuerungsanordnung ist daher eingerichtet, die Ausschaltdauer herabzusetzen, sodass der zweite Strom nicht unter den Mindestwert am Ende der Aus- schaltphase absinken kann. Hierfür ist der Vergleicher dazu ausgelegt, einen Wert des ersten Stroms oder einen Wert, welcher von dem Wert des ersten Stroms ableitbar ist, mit dem einstellbaren Sollwert zu verglichen. Die Steueranordnung ist zur Einstellung einer kürzeren Ausschaltdauer eingerichtet, wenn der Wert des ersten Stromes beziehungsweise der von dem Wert des ersten Stromes abgeleitete Wert kleiner als der einstellbare Sollwert ist. Daher ist die Steueranordnung dazu ausgelegt, die folgende Ausschaltphase gegenüber der vorigen Ausschaltphase in diesem Fall zu verkürzen.
Die Steueranordnung ist zur Einstellung einer längeren Ausschaltdauer eingerichtet, sofern der Wert des ersten Stroms beziehungsweise der von dem Wert des ersten Stroms abgeleite- te Wert größer als der einstellbare Sollwert ist. Deshalb ist die Steueranordnung ausgelegt, die folgende Ausschaltphase gegenüber der vorigen Ausschaltphase zu verlängern.
Das Anschalten und das Ausschalten der gesteuerten Strecke des Transistors kann ein sich periodisch wiederholender Vorgang sein, der von der Steueranordnung mittels des Steuersignals gesteuert ist. Die Ausschaltdauer ist von dem Wert des ersten Stroms beziehungsweise von dem Wert, der von dem Wert des ersten Stroms abgeleitetet ist, abhängig und ist mittels der hier dargelegten Anordnung eingestellt.
Mit Vorteil wird folglich durch die Steuerungsanordnung er- reicht, dass der zweite Strom nicht unter eine einstellbare Schwelle sinkt. Dazu ist die Ausschaltdauer von der Steuerungsanordnung jeweils geeignet geregelt.
In einer Weiterbildung umfasst die Steuerungsanordnung einen Mittelwertbildner. Der Mittelwertbildner ist zwischen dem ersten Eingang der Steuerungsanordnung und dem ersten Eingang des ersten Vergleichers geschaltet. Der Mittelwertbildner ist eingerichtet zur Ermittelung eines Mittelwerts aus dem Wert des ersten Stroms während einer Anschaltphase und aus mindes- tens einem zeitlich in derselben Anschaltphase folgenden weiteren Werts des ersten Stroms.
Der Mittelwertbildner kann als Tiefpassfilter ausgebildet sein, dem mehrere aufeinanderfolgende Werte des ersten Stroms während der Anschaltphase zugeführt sind. Durch das Tiefpassfilter ist mit Vorteil ein Einfluss einer Störung, die von dem Umschalten hervorgerufen sein kann, verringert. Das Tief- passfilter kann als passiver Tiefpass oder alternativ als aktiver Tiefpass ausgebildet sein.
Der Mittelwertbildner kann alternativ als Integrator ausgebildet sein, welcher mehrere aufeinanderfolgende Werte des ersten Stroms während der Anschaltphase integriert. Der Integrator kann ausgebildet sein, Werte des ersten Stroms wäh- rend der gesamten Anschaltphase zu integrieren. Alternativ kann er ausgebildet sein, Werte erst nach dem Abklingen von eventuellen Störungen zu erfassen. In einer Weiterbildung kann der Integrator ausgelegt sein, nach einer einstellbaren Wartezeit für das Abklingen von e- ventuell vorhandenen Störungen für eine einstellbare Dauer zu integrieren, wobei die Dauer kleiner als die zu erwartende Anschaltdauer abzüglich der Wartezeit einstellbar ist.
In einer Ausführungsform ist der Integrator zusätzlich als Halteelement ausgebildet und dazu ausgelegt, sein Ausgangs- Signal nach einem Ende der Integration bis zu einem Beginn der nächsten Integration zu halten.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Steuerungsanordnung eine Verzögerungseinrichtung. Die Verzögerungseinrichtung dient zur Ermittlung des Werts des ersten Stroms derart, dass mittels der Verzögerungseinrichtung der erste Strom mit einer einstellbaren Verzögerungsdauer gegenüber dem Beginn der Anschaltphase abgetastet ist. Die Verzögerungseinrichtung ist zwischen dem ersten Eingang der Steuerungsanordnung und dem ersten Eingang des ersten Vergleichers geschaltet. Die einstellbare Verzögerungsdauer kann 0 betragen. Mit Vorteil ist die einstellbare Verzögerungsdauer jeweils größer 0, so dass eine gegebenenfalls vorhandene Störung zu Beginn der Anschaltphase vor dem Ermitteln des Werts des ersten Stroms abgeklungen ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Verzögerungseinrichtung eine Abtast-Halte-Schaltung. Mit dieser Schaltung kann der Wert des ersten Stromes beziehungsweise der von dem Wert des ersten Stroms abgeleitete Wert mit der einstellbaren Verzöge- rungsdauer gegenüber dem Beginn der Anschaltphase ermittelt und festgehalten werden, bis ein neuer Wert in einer folgenden Anschaltphase ermittelt wird. In einer Weiterbildung umfasst die Recheneinheit einen Mikro- controller .
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Recheneinheit mehrere miteinender verknüpfte Digitalgatter zum Bereitstellen des Steuersignals wechselweise für die Anschaltphase und für die Ausschaltphase mit der gesteuerten Ausschaltdauer.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Recheneinheit zusätzlich zu Digitalgattern auch Analoggatter. Analoggatter können zum Bereitstellen eines Steuersignal in der Anschaltphase mit einem einstellbarem Spannungs- oder Stromwert ausgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich können Analoggatter zum Bereitstellen eines Steuersignal in der Ausschaltphase mit einem einstellbaren Spannungs- oder Stromwert vorgesehen sein. Analoggatter können zur Realisierung der Anschaltdauer und der Ausschaltdauer vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform ist die Recheneinheit zur Weiterver- arbeitung eines ersten Signals, das an dem Ausgang des ersten Vergleichers abgreifbar ist, eingerichtet. Die Recheneinheit ist ausgelegt, die Ausschaltdauer für die nächste Ausschaltphase beziehungsweise einen diese Ausschaltdauer repräsentierenden Wert aus dem ersten Signal zu ermitteln.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Steuerungs- anordnung einen Analogregler, der eingangsseitig mit dem Ausgang des ersten Vergleichers und ausgangsseitig mit einem Eingang der Recheneinheit gekoppelt ist. Der Analogregler dient zur Ermittlung eines die Ausschaltdauer repräsentierenden ersten Signals. Der Sollwert des Regelkreises ist der einstellbare Sollwert, der dem zweiten Eingang des ersten Vergleichers zugeführt ist. Der Regelkreis umfasst den Ana- logregier, die Recheneinheit, die gesteuerte Strecke des Transistors, den Transformator, das Mittel zum Erfassen eines ersten Stroms und den ersten Vergleicher, der ausgangsseitig zum Schließen des Regelkreises mit dem Analogregler gekoppelt ist. Zwischen dem Mittel zum Erfassen eines ersten Stroms und dem ersten Vergleicher kann der Mittelwertbildner, die Verzögerungseinrichtung oder der Integrator geschaltet sein.
Der Analogregler kann als Proportional-Regler, abgekürzt P- Regler, ausgebildet sein. Alternativ kann der Analogregler als Proportional-Integral-Regler, abgekürzt PI-Regler, ausgeführt sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Analogregler als Proportional-Integral-Differential-Regler, abgekürzt PID-Regler, ausgebildet sein.
Die Steuerungsanordnung kann an einem Anschluss mit einem Versorgungspotentialanschluss und an einem weiteren Anschluss mit einem Bezugspotentialanschluss verbunden sein. In einer Ausführungsform ist der Versorgungspotentialanschluss mit ei- ner Batterie koppelbar.
Die Anschaltdauer kann einen konstanten einstellbaren Wert betragen.
In einer Weiterbildung ist die Steuerungsanordnung dazu eingerichtet, dass der Transistor von der Anschaltphase in die Ausschaltphase schaltbar ist, sobald der erste Strom oder der davon abgeleitete Wert in der Anschaltphase einen einstellbaren Stromgrenzwert überschreitet. Mit Vorteil ist somit der erste Strom und damit eine einer Batterie entnommene Leistung sowie ein Energieinhalt des Transformators begrenzbar. In einer Ausführungsform dieser Weiterbildung umfasst die Steuerungsanordnung einen zweiten Vergleicher, der an seinem Ausgang mit einem weiteren Eingang der Recheneinheit gekoppelt ist. Der Vergleicher ist an seinem ersten Eingang mit dem ersten Eingang der Steuerungsanordnung verbunden. Dem
Vergleicher wird daher der Wert des ersten Stroms beziehungsweise ein davon abgeleiteter Wert des ersten Stroms an dem ersten Eingang zugeführt. An einem zweiten Eingang des Vergleichers ist der einstellbare Stromgrenzwert anlegbar. Der Vergleicher gibt ausgangsseitig ein Signal ab, das in Abhängigkeit von dem Wert des ersten Stroms beziehungsweise dem von dem ersten Strom abgeleiteten Wert und dem einstellbaren Stromgrenzwert gebildet ist. Somit kann mit Vorteil die Steuerungsanordnung ausgelegt sein, nach Erreichen des Strom- grenzwertes die Anschaltphase zu beenden. Vorteilhafterweise kann unter der Voraussetzung eines sekundärseitigen Leerlaufs in der Anschaltphase der Transformator zu Ende der Anschalt- phase jeweils den gleichen Energieinhalt aufweisen.
In einer Weiterbildung umfasst die Steuerungsanordnung einen zweiten Eingang. Der zweite Eingang ist zur Zuführung einer zweiten Spannung eingerichtet, welche zwischen einem ersten und einem zweiten primärseitigen Anschluss des Transformators abgreifbar ist. Alternativ ist die Steuerungsanordnung einge- richtet zu einer Zuführung einer weiteren Spannung an dem zweiten Eingang, welche von der zweiten Spannung ableitbar ist.
An die Steueranordnung ist die Primärseite des Transformators anschließbar, welcher zum Wandeln der ersten Gleichspannung in die zweite Gleichspannung dient. Die zweite Gleichspannung kann somit eine sekundärseitig im Betrieb auftretende Spannung sein. In einer Weiterbildung ist die Steuerungsanordnung eingerichtet, die Ausschaltphase des Transistors um eine einstellbare Verlängerungsdauer zu verlängern, wenn die zweite Gleichspannung einen Vorgabewert erreicht. Es ist ein Vorteil dieser Weiterbildung, dass dadurch die zweite Gleichspannung limitiert wird.
In einer Ausführungsform dieser Weiterbildung ist die Steuerungsanordnung dazu ausgelegt, die Ausschaltphase des Transistors um die einstellbare Verlängerungsdauer zu verlängern, wenn die zweite Spannung oder die von der zweiten Spannung abgeleitete weitere Spannung während der Ausschaltphase einen ersten einstellbaren Spannungsgrenzwert erreicht.
In einer Ausführungsform der Weiterbildung der Steuerungsan- Ordnung mit der einstellbaren Verlängerungsdauer umfasst die Steuerungsanordnung einen dritten Vergleicher. Der dritte Vergleicher ist an einem ersten Eingang mit dem zweiten Eingang der Steuerungsanordnung gekoppelt. Dem dritten Vergleicher ist an einem zweiten Eingang der erste einstellbare Spannungsgrenzwert zuführbar. Der dritte Vergleicher ist an einem Ausgang mit der Recheneinheit verbunden und zur Abgabe eines dritten Signals ausgelegt. Das dritte Signal dient zur Verlängerung der Ausschaltphase um die einstellbare Verlängerungsdauer in Abhängigkeit des Vergleichs der zweiten Span- nung oder der von der zweiten Spannung abgeleiteten Spannung und dem ersten einstellbaren Spannungsgrenzwert.
In einer Weiterbildung ist die Steuerungsanordnung ausgelegt, einen Widerstandswert der gesteuerten Strecke des Transistors während des Übergangs von der Anschalt- zur Ausschaltphase einzustellen. Die Steuerungsanordnung ist zum Einstellen des Widerstandswerts derart ausgelegt, dass die zweite Spannung oder die von der zweiten Spannung abgeleitete Spannung einen zweiten einstellbaren Spannungsgrenzwert nicht überschreitet . Mit Vorteil kann damit ein Risiko reduziert sein, dass der Spannungskonverter mit einer Spannungsüberhöhung mit zudem hohem Anstieg spannungsempfindliche Bauelemente oder Personen gefährdet.
In einer Ausführungsform dieser Weiterbildung umfasst hierfür die Steuerungsanordnung einen vierten Vergleicher. Der vierte Vergleicher ist an einem ersten Eingang mit dem zweiten Ein- gang der Steuerungsanordnung gekoppelt. Dem vierten Vergleicher ist an einem zweiten Eingang der zweite einstellbare Spannungsgrenzwert zugeführt. An einem Ausgang ist der vierte Vergleicher mit der Recheneinheit verbunden derart, dass der Widerstandswert des Transistors in Abhängigkeit von dem Ver- gleich der zweiten Spannung oder der von der zweiten Spannung abgeleiteten Spannung mit dem zweiten einstellbaren Spannungsgrenzwert regelbar ist.
In einer alternativen Ausführungsform dieser Weiterbildung weist der zweite einstellbare Spannungsgrenzwert den gleichen
Wert wie der erste einstellbare Spannungsgrenzwert auf, so dass der dritte Vergleicher zur Realisierung dieser Weiterbildung einsetzbar ist. In dieser alternativen Ausführungsform kann mit Vorteil auf den vierten Vergleicher verzichtet werden.
Der erste und/oder der zweite und/oder der dritte und/oder der vierte Vergleicher kann ausgebildet sein, an seinem Ausgang Digitalsignale oder alternativ Signale, die einem Wert 1, -1 und 0 entsprechen, abzugeben. Der erste und/oder der zweite und/oder der dritte und/oder der vierte Vergleicher kann als Komparator ausgeführt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste und/oder der vierte Vergleicher ausgelegt, als Ausgangssignal ein Analogsignal bereitzustellen, das eine Differenz der Signale an seinem ersten und seinem zweiten Eingang repräsentiert. Der erste und/oder der vierte Vergleicher kann dazu als Differenzverstärker ausgelegt sein. Mit Vorteil sind somit der Recheneinheit das erste Signal und/oder das vierte Signal in Analogform zugeführt und sind zur präzisen Regelung des Steuersignals einsetzbar.
In einer Ausführungsform ist die Recheneinheit derart ausgestaltet, dass sie ein Steuersignal bildet, welches den Transistor mit geringer Flankensteilheit abschaltet. Die Recheneinheit kann dazu ein Tiefpassglied zur Beeinflussung der Zeitkonstante des Abschaltens umfassen. Mit Vorteil kann das Tiefpassglied zusätzlich auch zum Verlangsamen des Anschal- tens vorgesehen sein. Mit Vorteil ist damit bei dem Abschalten und bei dem Anschalten eine störende Abstrahlung reduziert. Das Tiefpassglied kann als Widerstands-Kondensator- Glied, abgekürzt RC-Glied, realisiert sein.
In einer Ausführung des vorgeschlagenen Prinzips ist ein Spannungskonverter vorgesehen. Der Spannungskonverter umfasst den Transformator, den Transistor, das Mittel zum Erfassen eines ersten Stroms, eine Gleichrichterschaltung und die
Steueranordnung. Die Gleichrichterschaltung ist mit einer Sekundärseite des Transformators gekoppelt. Am Ausgang der Gleichrichterschaltung ist die zweite Gleichspannung, also eine AusgangsSpannung des Spannungskonverters, abgreifbar. An ihrem ersten Ausgang ist die Steuerungsanordnung mit dem Steueranschluss des Transistors verbunden. In einer Ausführungsform umfasst das Mittel zum Erfassen eines ersten Stroms einen ersten Widerstand, der in Serie zu dem Transformator und dem Transistor geschaltet ist. Die Steuerungsanordnung ist an ihrem ersten Eingang mit einem An- Schluss des ersten Widerstands gekoppelt. Mit Vorteil ist ein Widerstandswert des ersten Widerstands so klein gewählt, dass die ohm' sehen Verluste gering sind.
In einer Ausführungsform umfasst die Gleichrichterschaltung eine Diode und einen Kondensator, die in Serie zueinander geschaltet sind. Die Serienschaltung aus der Diode und dem Kondensator ist mit einem ersten und einem zweiten sekundärsei- tigen Anschluss des Transformators gekoppelt. Über dem Kondensator ist die zweite Gleichspannung abgreifbar. Aufgrund der hohen Kosten für Bauelemente, welche für höhere Spannungen geeignet sind, ist die Anzahl der Bauelemente der Gleichrichterschaltung vorteilhafterweise klein gehalten.
Die Diode der Gleichrichterschaltung ist in einer bevorzugten Ausführungsform derart mit dem ersten und dem zweiten Anschluss der Sekundärseite des Transformators verbunden, dass die Diode insbesondere in der Ausschaltphase bezüglich des zweiten Stroms in Durchlassrichtung geschaltet ist.
In einer Weiterbildung umfasst die Gleichrichterschaltung einen Brückengleichrichter oder eine Mittelpunktschaltung. Es ist ein Vorteil dieser Weiterbildung, dass die Brückengleich- richterschaltung und die Mittelpunktschaltung symmetrisch aufgebaut sind, sodass die Anschlüsse der Gleichrichterschal- tung mit dem ersten und dem zweiten sekundärseitigen Anschluss des Transformators vertauschbar verbunden sein können. Der Transistor kann als Analogschalter oder als elektronischer Schalter realisiert sein.
Der Transistor kann als Bipolartransistor ausgeführt sein. In einer anderen Ausführungsform ist der Transistor als Feldeffekttransistor ausgeführt. In einer Weiterbildung ist der Transistor als N-Kanal-Feldeffekttransistor realisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Transistor als N- Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ausgeführt .
In einer Ausführungsform ist die Steuerungsanordnung auf einem Halbleiterkörper integriert. Damit sind für die Realisierung der Steuerungsanordnung und für die Realisierung des Transistors spezialisierte Herstellungstechnologien einsetz- bar. Der Transistor kann in einer Leistungstransistor- Technologie ausgeführt sein.
In einer anderen Ausführungsform ist der Transistor zusammen mit der Steuerungsanordnung auf einem Halbleiterkörper reali- siert. Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass dadurch die gesamte Anzahl der Anschlüsse im Spannungskonverter reduziert und die Steuerungsordnung speziell für den auf dem selben Chip vorgesehenen Transistor auslegbar ist.
Der Spannungskonverter kann zur Erzeugung einer höheren Spannung eingesetzt sein. Die höhere Spannung kann in einer beispielhaften Ausführungsform 100 bis 400 Volt betragen.
Der Transformator kann in einer beispielhaften Ausführungs- form ein Wicklungsverhältnis von 1:20 bis 1:100 aufweisen.
Der Spannungskonverter kann vorteilhafterweise zur Erzeugung einer Spannung zum Betrieb einer Xenon-Lampe verwendet sein. Der Spannungskonverter kann mit Vorteil in einem Gerät der mobilen Kommunikationstechnik Verwendung finden.
Der Spannungskonverter kann mit besonderem Vorteil in einem Gerät der mobilen Kommunikationstechnik eingesetzt sein, um eine höhere Spannung für eine Blitzlampe bereitzustellen.
Der Spannungskonverter ist vorteilhaft in einer Digitalkamera einsetzbar.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Konvertieren einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung gelöst, mit folgenden Schritten:
Während einer Anschaltdauer einer Anschaltphase wird eine erste Gleichspannung einer Primärseite eines Transformators zugeführt, um Energie in dem Transformator zu speichern. Dazu wird ein Transistor in einem niederohmigen Zustand betrieben. Der Transistor ist in eine der Zuleitungen der ersten Gleichspannung zu der Primärseite des Transformators geschaltet. Durch die Primärseite des Transformators fließt ein erster Strom.
In einer Ausschaltphase des Transistors mit einer Ausschaltdauer wird Energie auf einer Sekundärseite des Transformators abgegeben. Dazu wird der Transistor in einem hochohmigen Zustand betrieben. Die Ausschaltdauer wird aus einem Wert des ersten Stroms in der Anschaltphase oder aus einem Wert, der von dem Wert des ersten Stroms in der Anschaltphase ableitbar ist, ermittelt. Die zweite Gleichspannung wird durch ein Gleichrichten eines zweiten Stroms, der von der Sekundärseite des Transformators abgegeben wird, generiert. Somit ist mit Vorteil die Ausschaltdauer durch Abgreifen von auf der Primärseite zur Verfügung stehender Größen einstellbar. Es ist ein Vorteil des Verfahrens, dass zur Steuerung des Transistors keine sekundärseitige Größen abzugreifen sind.
Eine alternative Ausführungsform eines Verfahrens zum Konvertieren einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspan- nung nach dem vorgeschlagenen Prinzip umfasst folgende Schritte:
Periodisches An- und Ausschalten eines ersten Stroms, der durch eine Primärseite eines Transformators fließt, Messen des ersten Stroms bei angeschaltetem ersten Strom, - Steuern einer Ausschaltdauer des Ausschaltens in Abhängigkeit der Messung,
Gleichrichten eines zweiten Stroms, der durch eine Sekundärseite eines Transformators fließt.
Zusammenfassend hat das vorgeschlagene Prinzip folgende Vorteile:
Die Steuerungsanordnung benötigt keine Verbindung zu der Sekundärseite des Transformators, um Eingangssignale für die Steuerung abzugreifen. - Auch der Spannungskonverter weist keine leitende Verbindung von der Sekundär- zur Primärseite des Transformators auf. Von der Sekundär- zur Primärseite besteht lediglich eine induktive Kopplung mittels des Transformators. Das Bezugspotenzial auf der Sekundärseite des Transforma- tors ist somit vollkommen unabhängig von dem Bezugspotenzial auf der Primärseite des Transformators wählbar. Der Spannungskonverter benötigt nur wenige Bauelemente, die zur Beschaltung der Steuerungsanordnung und des Transformators einzusetzen sind.
Nur wenige Anschlüsse der Steuerungsanordnung sind vorzusehen.
Durch die indirekte Bestimmung des Stroms auf der Sekundärseite des Transformators mittels eines Signals auf der Primärseite des Transformators kann eine schnelle Aufladezeit erreicht werden. Dies ist ohne eine Messung des Stromes auf der Sekundärseite möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugs- zeichen. Insoweit Schaltungsteile in Bauelementen und ihrer Funktion übereinstimmen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
Figuren IA und IB zeigen jeweils beispielhafte Spannungs- konverter nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Figuren 2A bis 2E zeigen beispielhafte Ausführungsformen eines Teils der Steuerungsanordnung.
Figur 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Subtrahiergliedes.
Figur 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Recheneinheit.
Figur 5 zeigt beispielhafte Signalverläufe eines Spannungskonverters . Figur IA zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Spannungskonverters mit einer Steuerungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Der Spannungskonverter umfasst einen Transformator 11, die Steuerungsanordnung 1, einen Gleichrichter 21 sowie weitere Bauelemente, die zwischen einer Primärseite des Transformators 11 und der Steuerungsanordnung 1 geschaltet sind.
Die Primärseite des Transformators 11 hat einen ersten pri- märseitigen Anschluss 12 und einen zweiten primärseitigen An- schluss 13. Die Primärseite des Transformators 11 ist in Serie mit einer gesteuerten Strecke eines Transistors 16 und einem ersten Widerstand 10 geschaltet. Der erste primärseiti- ge Anschluss 12 des Transformators 11 ist mit einem Versor- gungsspannungsanschluss 9 verbunden. Der erste Widerstand 10 ist an einem Anschluss mit dem Transistor 16 und an einem weiteren Anschluss mit einem Bezugspotentialanschluss 8 verbunden. Der Transistor 16 ist in der beispielhaften Ausfüh- rungsform gemäß Figur IA als selbstsperrender N-Kanal-Metall- Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ausgebildet .
Ein Ausgang 7 der Steuerungsanordnung 1 ist an einen Steuereingang 17 des Transistors 16 angeschlossen. Ein Knoten zwi- sehen dem Transistor 16 und dem ersten Widerstand 10 ist mit einem ersten Eingang 3 der Steuerungsanordnung 1 verbunden. Ein Knoten zwischen dem Transistor 16 und der Primärseite des Transformators 11 ist mit einem zweiten Eingang 5 der Steuerungsanordnung 1 verbunden. An einem dritten Eingang 6 ist die Steuerungsanordnung 1 mit dem Versorgungsspannungsan- schluss 9 verknüpft. An einem vierten Eingang 4 ist die Steuerungsanordnung 1 mit dem Bezugspotenzialanschluss 8 verbunden. Die Steuerungsanordnung 1 urafasst ein Tiefpassfilter 40, an dessen Ausgang ein erster Vergleicher 42 angeschlossen ist. Ein Eingang des Tiefpassfilters 40 ist mit dem Eingang 3 der Steuerungsanordnung 1 verbunden. Einem zweiten Eingang des ersten Vergleichers 42 ist ein einstellbarer Sollwert SOl zugeführt. Ein Ausgang des ersten Vergleichers 42 ist mit einem Eingang einer Recheneinheit 2 verknüpft. Die Recheneinheit 2 ist ausgangsseitig mit dem Ausgang 7 der Steuerungsanordnung 1 verbunden.
Ein zweiter Vergleicher 50 ist an einem ersten Eingang mit dem ersten Eingang 3 der Steuerungsanordnung 1 verbunden. An einem zweiten Eingang des zweiten Vergleichers 50 ist ein Stromgrenzwert SGl zugeführt. Der zweite Vergleicher 50 ist ausgangsseitig mit einem weiteren Eingang der Recheneinheit 2 verknüpft .
Die Steuerungsanordnung 1 umfasst weiter ein Subtrahierglied 60, dessen erster Eingang mit dem dritten Eingang 6 der Steuerungsanordnung 1 und dessen zweiter Eingang mit dem zweiten Eingang 5 der Steuerungsanordnung 1 verbunden ist. Ein Ausgang des Subtrahierglieds 60 ist mit einem ersten Eingang eines dritten Vergleichers 61 verbunden. An seinem zweiten Ein- gang ist der dritte Vergleicher 61 mit einem einstellbaren ersten Spannungsgrenzwert SPGl beaufschlagt. Ein Ausgang des dritten Vergleichers 61 ist mit einem weiteren Eingang der Recheneinheit 2 verbunden.
Der Ausgang des Subtrahierglied 60 ist weiter mit einem ersten Eingang eines vierten Vergleichers 71 verbunden. Einem zweiten Eingang des vierten Vergleichers 71 wird ein einstellbarer zweiter Spannungsgrenzwert SPG2 zugeführt. Ein Ausgang des vierten Vergleichers 71 ist mit einem weiteren Eingang der Recheneinheit 2 verbunden.
Der Transformator 11 umfasst einen ersten und einen zweiten sekundärseitigen Anschluss 14, 15. An die Sekundärseite des Transformators 11 ist eine Gleichrichterschaltung 21, welche zwei Eingänge und zwei Ausgänge umfasst, angeschlossen. Ein Ausgang des Gleichrichters 21 ist mit einem weiteren Bezugs- potenzialanschluss 27 verbunden. Der Bezugspotenzialanschluss 8 und der weitere Bezugspotenzialanschluss 27 sind in dem Spannungskonverter gemäß Figur IA nicht verbunden. Primär- und Sekundärseite sind somit galvanisch getrennt.
An dem Versorgungsspannungsanschluss 9 wird eine erste Gleichspannung UBAT dem Spannungskonverter zugeleitet.
In einer Anschaltphase ist der Transistor 16 in einen nieder- ohmigen Zustand geschaltet. In der Anschaltphase wird somit dem Transistor 16 an seinem Eingang 17 ein Steuersignal ST zugeführt, das höher als eine positive Schwellenspannung ist, da er als selbstsperrender N-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor realisiert ist.
In der Anschaltphase fließt ein erster Strom Il getrieben von der ersten Gleichspannung UBAT vom Versorgungsspannungsanschluss 9 über die Primärseite des Transformators 11 und durch den Transistor 16 sowie den ersten Widerstand 10 zum Bezugspotenzialanschluss 8. Damit ergibt sich näherungsweise folgende Gleichung für die Anschaltphase:
UBAT = U2+UDS +Ul , wobei UBAT die erste Gleichspannung, U2 eine zweite Spannung, welche zwischen dem ersten und dem zweiten primärseitigen An- schluss 12, 13 des Transformators 11 abfällt, UDS eine Spannung über der gesteuerten Strecke des Transistors 16 und Ul eine Spannung ist, die über dem ersten Widerstand 10 abfällt.
Die Spannung U2 lässt sich in der Anschaltphase bei einem Leerlauf auf der Sekundärseite näherungsweise mit folgender Gleichung berechnen:
U2-L -^- dt
wobei U2 die Spannung über der Primärseite, LIl eine Induktivität der Primärseite und Il der Strom ist, der durch die Primärseite des Transformators 11 fließt. In der Anschaltphase kann diese Bedingung erfüllt sein, da in der Anschaltphase der zweite Strom 12 einen Wert praktisch 0 in Abhängigkeit von der angeschlossenen Gleichrichterschaltung 21 haben kann.
Die Spannung Ul lässt sich mit folgender Gleichung berechnen:
£/l = /l-Ä10,
wobei Ul die Spannung über dem ersten Widerstand 10, RIO ein Widerstandswert des ersten Widerstands 10 und Il der Strom ist, der durch die Primärseite des Transformators 11 sowie durch den ersten Widerstand 10 fließt.
Die erste Spannung Ul ist somit ein Maß für den durch die Primärseite des Transformators 11 fließenden Stroms Il in der Anschaltphase. Die erste Spannung Ul wird der Steuerungsanordnung 1 an dem ersten Eingang 3 zugeführt. Das Tiefpassfil- ter 40 ist so ausgelegt, dass es während der Anschaltphase einen Mittelwert aufeinanderfolgender Werte der ersten Spannung Ul bildet. Der Mittelwert wird dann mittels des ersten Vergleichers 42 mit dem einstellbaren Sollwert SOl vergli- chen. Von dem Ausgang des ersten Vergleichers 42 wird ein erstes Signal Sl abgegeben, das der Recheneinheit 2 zugeführt wird. Ist der Mittelwert kleiner als der Sollwert SOl, so wird von der Recheneinheit 2 die Ausschaltdauer T-OFF in der folgenden Ausschaltphase verkürzt gegenüber dem Wert in der vorigen Ausschaltphase. Ist der Mittelwert größer als der
Sollwert SOl, so wird von der Recheneinheit 2 die Ausschaltdauer T-OFF der folgenden Ausschaltphase verlängert gegenüber dem Wert in der vorigen Ausschaltphase. Ist die folgende Ausschaltphase die erste Ausschaltphase nach einem Inbetriebset- zen des Spannungskonverters, so kann eine einstellbare Startdauer für die Ausschaltdauer T-OFF der Recheneinheit 2 zuführbar sein, welche die Recheneinheit 2 wie beschrieben mittels des in der ersten Anschaltphase auftretenden ersten Signals Sl vergrößert beziehungsweise verkleinert.
In der Anschaltphase steigt der erste Strom Il an. Als Maß für den ersten Strom Il wird die erste Spannung Ul dem zweiten Vergleicher 50 zugeführt. Der zweite Vergleicher 50 gibt an seinem Ausgang ein zweites Signal S2 ab, das der Rechen- einheit 2 zugeführt wird. Überschreitet der erste Strom Il den einstellbaren Stromgrenzwert SGl beziehungsweise die erste Spannung Ul einen korrespondierenden Spannungsgrenzwert, so wird mittels des zweiten Vergleichers 50 und des zweiten Signals S2 die Recheneinheit 2 so angesteuert, dass sie ein Steuersignal ST zum Umschalten des Transistors 16 von dem niederohmigen Zustand in den hochohmigen Zustand abgibt und somit die gesteuerte Strecke des Transistors 16 von der Anschaltphase in die Ausschaltphase schaltet. In der Ausschaltphase liegt priraärseitig ein Leerlauf vor. Bei einem Leerlauf auf einer Seite eines Transformators lassen sich die Spannungen an der Primärseite und an der Sekun- därseite mit folgender Gleichung näherungsweise berechnen:
U4IU2 = W2IW\,
wobei U2 die Spannung auf der Primärseite des Transformators 11, U4 eine Spannung auf der Sekundärseite des Transformators 11, Wl eine Anzahl der Windungen auf der Primärseite des Transformators 11 und W2 eine Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite des Transformators 11 ist.
In der Ausschaltphase ist aufgrund des primärseitigen Leerlaufs der Wert der vierten Spannung U4 näherungsweise mit o- biger Gleichung aus dem Wert der zweiten Spannung U2 bestimmbar. Dazu vergleicht das Subtrahierglied 60 in der Steuerungsanordnung 1 ein Potenzial an dem zweiten Eingang 5 mit einem Potenzial an dem dritten Eingang 6 der Steuerungsanordnung 1. An dem Ausgang des Subtrahierglieds 60 ist somit der negative Wert der zweiten Spannung U2 abgreifbar, die zwischen dem ersten und dem zweiten primärseitigen Anschluss auftritt .
Die zweite Spannung U2 kann zu Beginn der Ausschaltphase oder in der Ausschaltphase negative Werte annehmen. Die Kopplung des Subtrahierglied 60 mit dem zweiten und dem dritten Eingang 5,6 ist so gewählt, dass an seinem Ausgang eine positive Spannung abgreifbar ist.
Die zweite Spannung U2 wird von dem dritten Vergleicher 61 mit dem einstellbaren ersten Spannungsgrenzwert SPGl vergli- chen. Der erste Spannungsgrenzwert SPGl kann einen positiven Wert aufweisen. Das an dem Ausgang des dritten Vergleichers 61 anliegende dritte Signal S3 wird der Recheneinheit 2 zugeführt. Ist der Wert der zweiten Spannung U2 betragsmäßig hö- her als der erste einstellbare Spannungsgrenzwert SPGl, so wird mittels des dritten Vergleichers 61 und des Signals S3 die Recheneinheit 2 derart angesteuert, dass sie die Ausschaltphase um eine einstellbare Verlängerungsdauer T-R verlängert. Auf das Ende der verlängerten Ausschaltphase folgt eine weitere Anschaltphase. Dies bedeutet, dass die zweite Gleichspannung U-G einen maximalen Wert erreicht hat. Die Verlängerungsdauer T-R ist in dem beispielhaften Spannungs- konverter nach Figur IA länger als die Ausschaltdauer T-OFF.
Ist der Wert der zweiten Spannung U2 betragsmäßig kleiner als der erste einstellbare Spannungsgrenzwert SPGl, so wird die Ausschaltphase von der Recheneinheit 2 mittels des Steuersignals ST nach Ablauf der in der vorangegangenen Anschaltphase ermittelten Ausschaltdauer T-OFF beendet. Dies geschieht da- durch, dass das Steuersignal ST den Transistor 16 von dem hochohmigen in den niederohmigen Zustand schaltet.
In der Ausschaltphase wird die Spannung U4 auf der Sekundärseite des Transformators 11 in die zweite Gleichspannung U-G umgesetzt. An zwei Ausgängen der Gleichrichterschaltung 21 ist die zweite Gleichspannung U-G abgreifbar.
Durch ein sehr schnelles Ausschalten des Transistors 16 kann eine Überspannung zwischen dem ersten und dem zweiten primär- seitigen Anschluss 12, 13 des Transformators 11 auftreten. Die Steuerungsanordnung 1 überwacht mithilfe der zweiten Spannung U2 , die am zweiten und des dritten Eingangs 5 und 6 anliegt, des Subtrahierglieds 60 sowie des vierten Verglei- chers 71 die Spannung auf der Primärseite des Transformators 11. Der vierte Vergleicher 71 gibt ein viertes Signal S4 ab, wenn die zweite Spannung U2 betragsmäßig einen zweiten einstellbaren Spannungsgrenzwert SPG2 überschreitet. Durch das vierte Signal S4 wird die Recheneinheit 2 so eingestellt, dass sie eine Steuerspannung ST abgibt, welche den Transistor 16 während der Anschaltphase so regelt, dass keine Überspannung auf der Primärseite auftreten kann. So kann mit Vorteil eine Gefährdung von Bauteilen oder Personen durch zu eine ho- he Spannung oder einen zu schnellen Spannungsanstieg reduzierbar sein.
Bei der Erzeugung des Steuersignals ST kann in einer Ausführungsform der Spannungsabfall Ul über dem ersten Widerstand 10 berücksichtigt sein.
Es ist ein Vorteil der Steuerungsanordnung 1 und dem Spannungskonverter gemäß Figur IA, dass ausschließlich Ströme und Spannungen auf der Primärseite des Transformators 11 zum Steuern der verschiedenen Phasen des Gleichrichtungsvorgangs abgegriffen werden. Mittels des ersten Signals Sl wird mit Vorteil die Ausschaltdauer T-OFF festgelegt, so dass die Zeitdauer des gesamten Ladevorgangs optimiert ist. Mittels des zweiten Signals S2 ist mit Vorteil der erste Strom Il be- grenzt, so dass der Leistungsverbrauch des Spannungskonver- ters und der Strom aus der Versorgungsspannung nicht zu groß wird. Es ist ein weiterer Vorteil der Strombegrenzung, dass die Wicklungen des Transformators 11 nicht zu warm werden. Mittels des dritten Signals S3 wird die Ausschaltdauer T-OFF wesentlich verlängert, so dass mit Vorteil eine zu hohe zweite Gleichspannung U-G vermieden wird und die Effizienz der Energieausnützung verbessert wird. Mittels des vierten Sig- nals S4 wird das Ausschalten so gesteuert, dass mit Vorteil zu hohe Spannungen vermieden werden.
Der Bezugspotentialanschluss 8 und der weitere Bezugspotenti- alanschluss 27 können miteinander verbunden sein.
Figur IB zeigt eine beispielhafte Weiterbildung des Spannungskonverters gemäß Figur IA.
Die Gleichrichterschaltung 21 weist eine Serienschaltung, umfassend eine Diode 25 und einen Kondensator 26, auf. Die beiden Elektroden des Kondensators 26 sind mit zwei Anschlüssen verbunden, die zum Abgreifen der zweiten Gleichspannung U-G dienen. Die Diode 25 ist so geschaltet, dass sie während der Ausschaltphase leitend ist. Hierfür ist die Anode der Diode 25 mit einem zweiten sekundärseitigen Anschluss 15 eines Transformators 11 verbunden. Ein erster sekundärseitiger Anschluss 14 des Transformators 11 ist mit einer der beiden E- lektroden des Kondensators 26 verbunden.
Ein Knoten zwischen dem Kondensator 26 und dem ersten sekundärseitigen Anschluss 14 des Transformators 11 ist mit dem weiteren Bezugspotenzialanschluss 27 verbunden. In dem Spannungskonverter gemäß Figur IB ist mit Vorteil der weitere Be- zugspotenzialanschluss 27 vom Bezugspotenzialanschluss 8 getrennt .
Ein zweiter Widerstand 23 ist zwischen dem zweiten primärsei- tigen Anschluss 13 und dem zweiten Eingang 5 der Schaltungs- anordnung 1 geschaltet. Ein dritter Widerstand 24 ist zwischen dem Versorgungspotenzialanschluss 9 und dem zweiten Eingang 5 der Steuerungsanordnung 1 vorgesehen. An der Serienschaltung aus der Diode 25 und dem Kondensator 26 liegt die sekundärseitig am Transformator 11 auftretende Spannung U4 an. Die Anode der Diode 25 ist derart an einen der beiden sekundärseitigen Anschlüsse 14, 15 des Transforma- tors 11 angeschlossen, dass in der Ausschaltphase der zweite Strom 12 durch die Diode 25 fließen kann. Der Kondensator 26 wird vom zweiten Strom 12 aufgeladen, sodass die zweite Gleichspannung U-G erzeugt wird.
Die Serienschaltung aus dem zweiten Widerstand 23 und dem dritten Widerstand 24 bewirkt, dass der durch die Primärseite des Transformators 11 fließende Strom 13 während der Ausschaltphase nicht identisch Null ist. Der Strom 13 kann über die Serienschaltung aus dem zweiten und dem dritten Wider- stand 23, 24 vom zweiten primärseitigen Anschluss 13 zu dem ersten primärseitigen Anschluss 12 zurückfließen. Zwischen dem dritten Anschluss 6 und dem zweiten Anschluss 5 ist somit eine Spannung U3 abgreifbar, welche eine von der zweiten Spannung U2 ableitbare Spannung ist. Mittels des zweiten und des dritten Widerstands 23, 24 kann vorteilhafterweise die Überspannung am primärseitigen Anschluss beim Übergang von der Anschalt- zur Ausschaltphase verringert sein.
Durch die Serienschaltung fließt in der Anschaltphase eben- falls ein Strom. Mit Vorteil ist eine Summe der Widerstandswerte des zweiten und des dritten Widerstands 23, 24 so groß gewählt, dass die ohm1 sehen Verluste gering sind.
Der zweite Widerstand 23 dient mit Vorteil dem Schutz des zweiten Eingangs 5 der Steuerungsanordnung 1 vor einer zu hohen Spannungsbelastung. Es ist ein Vorteil der Gleichrichterschaltung 21, dass für ihre Realisierung nur zwei Bauelemente vorgesehen sind. Von besonderem Vorteil ist dies bei Spannungskonvertern zur Erzeugung höherer Spannungen, da spannungsfeste Bauelemente aufwändiger zu realisieren sind.
Figur 2A zeigt eine alternative Ausführungsform einer Schaltung, welche mit dem ersten Eingang 3 der Steuerungsanordnung 1 verbunden ist und ein erstes Signal Sl, welches dem Eingang der Recheneinheit 2 zugeführt ist, erzeugt. Gemäß der Steuerungsanordnung 1 in Figur IA und IB ist hierzu ein Tiefpass- filter 40 und ein erster Vergleicher 42 vorgesehen.
In der alternativen Ausführungsform gemäß Figur 2A, wie sie in eine Steuerungsanordnung 1 gemäß den Figuren IA und IB einsetzbar ist, ist der Tiefpassfilter 40 von den Figuren IA und IB durch ein Integrator 41 ersetzt. Er ist dazu ausgelegt, ausschließlich Werte der ersten Spannung Ul während der Anschaltphase zu integrieren. Er ist weiter dazu ausgelegt, in der Ausschaltphase auf 0 zurückgesetzt zu werden.
Figur 2B zeigt eine andere, alternative Ausführungsform der obigen Schaltung gemäß Figur 2A. In der Schaltungsanordnung gemäß Figur 2B ist der Tiefpassfilter 40 von den Figuren IA und IB durch eine Verzögerungseinrichtung 44 ersetzt. Damit ist erreicht, dass ein Wert der ersten Spannung Ul, welcher um eine einstellbare Verzögerungsdauer T-V gegenüber dem Beginn der Anschaltphase verzögert ist, dem ersten Eingang des ersten Vergleichers 42 zugeführt wird. Mit Vorteil weist die Verzögerungseinrichtung 44 eine Abtast- und Halteschaltung auf . Die Figuren 2C bis 2E weisen zusätzlich zu den bisher gezeigten Ausführungsformen in den Figuren IA und IB beziehungsweise den Figuren 2A und 2B einen Analogregler 43 auf, der zwischen dem Ausgang des ersten Vergleichers 42 und einem Ein- gang der Recheneinheit 2 geschaltet ist. In Figur 2C ist der Tiefpassfilter 40, in Figur 2D ist der Integrator 41 und in Figur 2E ist die Verzögerungseinrichtung 44 dem ersten Eingang des Vergleichers 42 vorgeschaltet.
An einem Ausgang des Analogreglers 43 ist das Signal Sl abgreifbar, das in den Ausführungsformen gemäß den Figuren 2C bis 2E die Ausschaltdauer T-OFF repräsentiert. Somit ist die Recheneinheit 2 mit Vorteil entlastet, da der Analogregler 43 die Regelungsaufgaben übernimmt.
Figur 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Subtrahierglieds 60, wie es in den Steueranordnungen 1 gemäß den Figuren IA und IB eingesetzt werden kann.
Das Subtrahierglied weist in der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 einen Operationsverstärker 62 auf. Ein nicht- invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 62 ist über einen Widerstand 66 mit dem zweiten Eingang 5 der Steueranordnung 1 verbunden. Der nicht-invertierende Eingang des Ope- rationsverstärkers 62 ist über einen Widerstand 65 an dem Be- zugspotenzialanschluss 8 angeschlossen.
Ein invertierender Eingang des Operationsverstärkers 62 ist über einen Widerstand 64 mit dem dritten Eingang 6 der Steue- rungsanordnung 1 verbunden. Der invertierende Eingang des O- perationsverstärkers 62 ist über einen Widerstand 63 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers, der damit den Ausgang des Subtrahierglieds 60 bildet, verknüpft. Weisen die vier Widerstände den gleichen Widerstandswert auf, so ist eine Spannung am Ausgang näherungsweise gleich einer Differenz der Spannungen an den beiden Eingängen 5, 6.
Weist alternativ ein Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstands 66 zu dem des Widerstands 65 einen Faktor k auf und weist ein Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstands 64 zu dem des Widerstands 63 den gleichen Faktor k auf, so ist die Spannung am Ausgang näherungsweise gleich der Differenz der Spannungen an den beiden Eingängen 5, 6 dividiert durch den Faktor k. Mit einem Faktor k, der größer 1 ist, kann somit mit Vorteil eine hohe Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen an dem zweiten und dritten Eingang 5, 6 reduziert sein. Somit ist mit Vorteil eine zwischen dem zweiten Eingang 5 und dem dritten Eingang 6 der Steuerungsanordnung 1 auftretende Spannung so aufbereitet, dass sie zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 62 und dem Bezugspotenzialanschluss 8 abgreifbar ist und damit einfach weiterverarbeitbar ist .
Figur 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Recheneinheit 2, wie sie in den Steueranordnungen 1 gemäß den Figuren IA und IB einsetzbar ist.
Die Recheneinheit 2 umfasst eine Überspannungsschutzschaltung 82, die ausgangsseitig über einen Inverter 83 mit einer Treiberschaltung 84 verbunden ist. Die Überspannungsschutzschaltung 82 ist eingangsseitig mit einem Ausgang einer Kippstufe 81 verbunden. Der Ausgang der Kippstufe 81 ist über eine Ver- zögerungsschaltung 80 mit einem ersten Eingang der Kippstufe 81 gekoppelt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Kippstufe aus zwei miteinander verschalteten ODER-Gattern gebildet. Der Recheneinheit 2 werden das erste, zweite, dritte und vierte Signal Sl bis S4 zugeleitet. Dazu weist die Recheneinheit 2 vier Steuereingänge auf. Das erste Steuersignal Sl wird der Verzögerungsschaltung 80 zugeführt und dient zum Einstellen der Ausschaltdauer T-OFF. In der beispielhaften Ausführungsform der Recheneinheit 2 verlängert ein erster Wert des ersten Steuersignals Sl die Ausschaltdauer T-OFF für den nächsten Zyklus,- ein zweiter Wert des Steuersignals Sl verringert die Ausschaltdauer T-OFF für den nächsten Zyklus. Der erste Wert ist ein Wert high, der zweite Wert ein Wert low.
Das zweite Steuersignal S2 wird einem zweiten Eingang der Kippstufe 81 zugeführt und dient zum Beenden der Anschaltphase. Die Anschaltdauer T-ON wird somit von dem zweiten Steuersignal S2 bestimmt.
Das Signal an dem Ausgang der Kippstufe 81 wird somit einem Eingang der Verzögerungsschaltung 80 und einem Eingang der
Überspannungsschutzschaltung 82 zugeführt. Der Überspannungs- schutzschaltung 82 wird an einem weiteren Eingang das dritte Steuersignal S3 zugeleitet. Das dritte Steuersignal S3 dient zum Verlängern der Ausschaltphase um eine einstellbare Ver- längerungsdauer T-R.
Der Treiberschaltung 84 wird an einem ersten Eingang ein Signal, das an einem Ausgang der Überspannungsschutzschaltung 82 anliegt und mittels dem Inverter 83 verarbeitet wird, zuge- führt. An einem Ausgang der Treiberschaltung 84 ist das Steuersignal ST abgreifbar. Die Treiberschaltung 84 gibt ein analoges Signal an ihrem Ausgang ab, das den Transistor 16 entsprechend den Transistoreigenschaften in einen niederohmigen Zustand in der Anschaltphase und in einen hochohmigen Zustand in der Ausschaltphase versetzt.
An einem zweiten Eingang wird in diesem Beispiel der Treiber- Schaltung 84 das vierte Signal S4 zugeleitet. Das vierte
Steuersignal S4 dient zum Einstellen des Widerstandswert der gesteuerten Strecke des Transistors 16 während dem Übergang von der Anschalt- zur Ausschaltphase. Der Widerstand der gesteuerten Strecke wird dadurch nur langsam erhöht.
Mittels der Recheneinheit 2 ist somit sowohl die Ausschaltdauer wie die Anschaltdauer und der Widerstandswert des Transistors in den verschiedenen Phasen mit Vorteil einstellbar.
Vorteilhafterweise wird die Anschaltphase beendet, wenn der erste Strom zu groß wird. Ebenso wird vorteilhafterweise die Ausschaltphase verkürzt, wenn aus einem Wert des ersten Stroms Il ermittelbar ist, dass der zweite Strom 12 gegen Ende der Ausschaltphase zu klein ist. Durch die Verkürzung wird mit Vorteil die insgesamte Dauer für die Zeit zum Erzeugen der zweiten Gleichspannung U-G verringert. In Abhängigkeit von dem dritten Signals S3 wird die Ausschaltphase um die Verlängerungsdauer T-R verlängert und somit mit Vorteil einer Batterie, die an dem Versorgungsspannungsanschluss 9 ange- schlössen ist, weniger Energie entnommen.
Optional kann die Überspannungsschutzschaltung 82 derart ausgelegt sein, dass die Verlängerungsdauer T-R mittels eines weiteren Einganges 85 der Überspannungsschutzschaltung 82 einstellbar ist. Der weitere Eingang 85 der ÜberspannungsschutzSchaltung 82 ist mit einem weiteren Eingang der Steueranordnung 1 verbunden. Optional kann die Überspannungsschutzschaltung 82 einen weiteren Eingang 86 aufweisen, welcher zur Zuführung einer Information dient, dass aufgrund eines Ereignisses bereits vor Ende der Verlängerungsdauer T-R in die Anschaltphase überge- gangen wird. Ein derartiges Ereignis kann beispielsweise das Aussenden eines Blitzes von einer Lichtquelle sein, welche an die zweite Gleichspannung kurzzeitig angeschlossen wird. Im Falle eines durch ein Ereignis ausgelösten Abfallens der zweiten Gleichspannung wird von der Steuerungsanordnung 1 mit Vorteil vor dem Ende der Verlängerungsdauer T-R die Anschalt- phase eingeleitet.
Figur 5 zeigt Signalverläufe eines Spannungskonverters gemäß einer Simulation.
Die Signalverläufe sind über der Zeit t aufgetragen. Der obere Signalverlauf zeigt das Steuersignal ST in Volt. In Figur 5 wird dieses Signal mit einer Periodendauer von 20 μsek eingeschaltet und ausgeschaltet. Die Anschaltdauer T-ON und die Ausschaltdauer T-OFF ist fest auf jeweils 10 μsek eingestellt. Figur 5 zeigt somit das Verhalten eines Spannungskonverters, der ähnlich zu dem Spannungskonverter gemäß Figur IB aufgebaut ist, bei ausgeschalteter Regelung.
Der mittlere Signalverlauf zeigt einen Strom 13, welcher durch die Primärseite des Transformators 11 fließt. Während das Steuersignal 0 V zeigt, befindet sich der Spannungskonverter in der Ausschaltphase und ist der Strom 13 abgesehen von einer Stromspitze nach dem Ausschalten nahezu 0. Zu Be- ginn der Anschaltphase zeigt der Strom 13 einen kurzen Impuls, welcher von einem schnellen, steilen Anstieg auf einen ersten Stromwert gefolgt wird. Von diesem ersten Stromwert steigt der Strom 13 näherungsweise linear an. Am Ende der An- schaltphase und damit zu Beginn der Ausschaltphase fällt der Strom nach der Stromspitze beim Ausschalten auf 0 ab.
Im unteren Signalverlauf wird der zweite Strom 12 in Ampere, welcher auf der Sekundärseite des Transformators 11 abgreif- bar ist, in Abhängigkeit von der Zeit t gezeigt. Zu Beginn der Ausschaltphase zeigt der Strom 12 in der Simulation eine Spitze, gefolgt von einigen Oszillationen. Der zweite Strom 12 nimmt danach näherungsweise linear mit der Zeit t ab. Zu Ende der Ausschaltphase hat der zweite Strom 12 in drei der vier gezeigten Ausschaltphasen noch einen Reststromwert.
Der Reststromwert bedeutet, dass magnetische Energie im Transformator 11 zum Ende der Ausschaltphase noch vorhanden ist. Aus diesem Grunde beginnt der Strom 13 zu Beginn der Anschaltphase nicht bei 0, sondern bei einem höheren Wert. Dies geschieht, da zu Beginn der Anschaltphase nun der Strom 13 den Energieinhalt des Transformators wiedergibt. Um eine hohe Effektivität der Spannungskonversion zu erreichen, ist mit Vorteil der zweite Strom 12 so einzustellen, dass er zu Ende der Ausschaltphase betragsmäßig größer 0 ist, sodass der Transformator 11 auch bei dem Ende der Ausschaltphase weiter eine magnetische Energie zeigt. Zu diesem Zweck wird die Ausschaltdauer T-OFF verkürzt.
Da der Spannungskonverter ausgelegt ist, auf Größen auf der Primärseite zuzugreifen, ist der zweite Strom 12 nicht für die Steuerung einsetzbar und es wird in einer Ausführungsform ein Einzelwert aus dem Strom 13 für die indirekte Bestimmung des zweiten Stroms 12 zum Ende der Ausschaltdauer herangezogen. Dies ist mit den beiden Pfeilen markiert. Es kann in einer Ausführungsform der Stromwert des Stroms 13 sein, der sich nach dem kurzen Impuls und nach dem schnellen, steilen Anstieg zu Beginn der Anschaltphase einstellt.
Für die Simulation der Signalverläufe in Figur 5 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit keine Regelung der Anschalt- oder der Ausschaltdauer T-ON, T-OFF entgegen dem Prinzip gemäß den Figuren IA, IB und 4 vorgenommen. Da die Anschaltdauer T-ON nicht geregelt ist, steigt der Strom 13 während der Anschaltphase auf unterschiedliche Werte an, die sich aus der Dauer der Anschaltphase ergeben. Die Anschaltphase wird somit zumindest in der letzten der vier gezeigten Anschaltphasen zu früh beendet.
Da die Ausschaltdauer T-OFF ebenfalls nicht geregelt ist, nimmt der Restwert des zweiten Stroms 12 zum Ende der Ausschaltphase von Periode zu Periode ab. Dies könnte durch eine längere Anschaltphase oder eine kürzere Ausschaltdauer T-OFF kompensiert werden.
Figur 5 zeigt somit, dass eine Regelung der Anschalt- und der Ausschaltdauer T-ON, T-OFF für die Energieeffizienz der Spannungskonversion von Vorteil ist.
Bezugszeichenliste
1 Steuerungsanordnung
2 Recheneinheit 3 erster Eingang
4 vierter Eingang
5 zweiter Eingang
6 dritter Eingang
7 Ausgang 8 Bezugspotentialanschluss
9 Versorgungsspannungsanschluss
10 erster Widerstand
11 Transformator
12 erster primärseitiger Anschluss 13 zweiter primärseitiger Anschluss
14 erster sekundärseitiger Anschluss
15 zweiter sekundärseitiger Anschluss
16 Transistor
17 Steueranschluss 21 Gleichrichterschaltung
23 zweiter Widerstand
24 dritter Widerstand
25 Diode
26 Kondensator 27 weiterer Bezugspotentialanschluss
40 Tiefpassfilter
41 Integrator
42 erster Vergleicher
43 Analogregler 44 Verzögerungseinrichtung
50 zweiter Vergleicher
60 Subtrahier-Glied
61 dritter Vergleicher 62 Operationsverstärker 63, 64, 65, 66 Widerstand
71 vierter Vergleicher
80 Verzögerungsschaltung 81 Kippstufe
82 Überspannungsschutzschaltung
83 Inverter
84 Treiberschaltung 85, 86 Eingang Il erster Strom
12 zweiter Strom
13 Strom
SGl Stromgrenzwert
SOl Sollwert SPGl erster Spannungsgrenzwert
SPG2 zweiter Spannungsgrenzwert
ST Steuersignal
51 erstes Signal
52 zweites Signal S3 drittes Signal
S4 viertes Signal t Zeit
T-OFF Ausschaltdauer
T-ON Anschaltdauer T-R Verlängerungsdauer
T-V Verzögerungsdauer
UBAT erste Gleichspannung
U-G zweite Gleichspannung
Ul erste Spannung U2 zweite Spannung
U3 Spannung

Claims

Patentansprüche
1. Steuerungsanordnung (1) für einen Spannungskonverter zum Wandeln einer ersten Gleichspannung (UBAT) in eine zweite Gleichspannung (U-G) , umfassend einen ersten Eingang (3) , eingerichtet zu einer Kopplung mit einem Mittel zum Erfassen eines ersten Stroms (II) auf einer Primärseite eines Transformators (11) , welcher zum Wandeln einer ersten Gleichspannung (UBAT) in eine zweite Gleichspannung (U-G) dient, einen ersten Ausgang (7) , eingerichtet zur Kopplung mit einem Steueranschluss (17) eines Transistors (16) , der in Serie zur der Primärseite des Transformators (11) schalt- bar ist, und zur Abgabe eines Steuersignals (ST) an den Steueranschluss (17) des Transistors (16) , eine Recheneinheit (2) , gekoppelt mit dem ersten Ausgang (7) der Steuerungsanordnung (1) , eingerichtet zum Einstellen des Steuersignals (ST) derart, dass der Transis- tor (16) einen niedrigen Widerstandswert in einer Anschaltphase mit einer Anschaltdauer (T-ON) und einen hohen Widerstandswert in einer Ausschaltphase mit einer Ausschaltdauer (T-OFF) aufweist, einen ersten Vergleicher (42) mit einem ersten Eingang, der mit dem ersten Eingang (3) der Steuerungsanordnung
(I) gekoppelt ist zur Zuführung eines Werts des ersten Stroms (II) oder eines von dem Wert des ersten Stroms
(II) abgeleiteten Werts, mit einem zweiten Eingang zur Zuführung eines einstellbaren Sollwerts (SOl) und mit ei- nem Ausgang, der mit einem Eingang der Recheneinheit (2) gekoppelt ist zum Einstellen der Ausschaltdauer (T-OFF) .
2. Steuerungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsanordnung (1) einen Mittelwertbildner, der zwischen dem ersten Eingang (3) der Steuerungsanordnung (1) und dem ersten Eingang des ersten Vergleichers (42) geschaltet ist, zur Ermittlung eines Mittelwerts aus dem Wert des ersten Stroms (II) und aus mindestens einem zeitlich in der Anschaltphase folgenden weiteren Wert des ersten Stroms (II) aufweist.
3. Steuerungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwertbildner ein Tiefpassfilter (40) oder einen Integrator (41) zur Mittelwertbildung umfasst.
4. Steuerungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsanordnung (1) eine Verzögerungseinrichtung (44) , die zwischen dem ersten Eingang (3) der Steuerungsanordnung (1) und dem ersten Eingang des ersten Vergleichers (42) geschaltet ist, zur Ermittlung des Werts des ersten
Stroms (II) durch Abtastung des ersten Stroms (II) mit einer einstellbaren Verzögerungsdauer (T-V) gegenüber dem Beginn der Anschaltphase umfasst.
5. Steuerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsanordnung (1) einen Analogregler (43) zur Ermittlung der Ausschaltdauer (T-OFF) umfasst, der eingangssei- tig mit einem Ausgang des ersten Vergleichers (42) und aus- gangsseitig mit der Recheneinheit (2) gekoppelt ist.
6. Steuerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsanordnung (1) einen zweiten Vergleicher (50) umfasst, mit einem ersten Eingang, der mit dem ersten Eingang (3) der Steuerungsanordnung (1) gekoppelt ist zur Zuführung des ersten Stroms (II) oder eines davon abgeleiteten Signals, mit einem zweiten Eingang zur Zuführung eines einstellbaren Stromgrenzwerts (SGl) und mit einem Ausgang, der mit einem weiteren Eingang der Recheneinheit (2) gekoppelt ist zum Schalten des Transistor (16) von der Anschaltphase in die Ausschaltphase in Abhängigkeit des Vergleichs des ersten Stroms (II) oder des davon abgeleiteten Signals in der Anschaltphase mit dem einstellbaren Stromgrenzwert (SGl) .
7. Steuerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsanordnung (1) einen zweiten Eingang (5) umfasst, eingerichtet zu einer Zuführung einer zweiten Spannung (U2) , die zwischen einem ersten und einem zweiten primärsei- tigem Anschluss (12, 13) des Transformators (11) abgreifbar ist, oder einer von der zweiten Spannung (U2) ableitbaren Spannung (U3) und gekoppelt mit der Recheneinheit (2) .
8. Steuerungsanordnung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsanordnung (1) einen dritter Vergleicher (61) umfasst, der an einem ersten Eingang mit dem zweiten Eingang (5) der Steuerungsanordnung (1) gekoppelt ist, dem an einem zweiten Eingang ein erster einstellbarer Spannungsgrenzwert (SPGl) zuführbar ist, und der an einem Ausgang mit der Recheneinheit (2) verbunden ist zur Verlängerung der Ausschalt- phase um die einstellbare Verlängerungsdauer (T-R) in Abhängigkeit des Vergleichs der zweiten oder der davon abgeleiteten Spannung (U2, U3) und dem zweiten einstellbaren Spannungsgrenzwert (SPG2) .
9. Steuerungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsanordnung (1) einen vierten Vergleicher (71) umfasst, der an einem ersten Eingang mit dem zweiten Eingang (5) der Steuerungsanordnung (1) gekoppelt ist, dem an einem zweiten Eingang ein zweiter einstellbare Spannungsgrenzwert (SPG2) zuführbar ist, und der an einem Ausgang mit der Recheneinheit (2) verbunden ist zur Einstellung des Wider- Standswerts des Transistors (16) in Abhängigkeit von dem Vergleich der zweiten oder der davon abgeleiteten Spannung (U2, U3) und dem zweiten einstellbaren Spannungsgrenzwert (SPG2) .
10. Spannungskonverter mit einer Steuerungsanordnung nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend: den Transformator (11) , den Transistor (16) , das Mittel zum Erfassen eines ersten Stroms (II) auf ei- ner Primärseite eines Transformators (11) , umfassend einen ersten Widerstand (10) , der in Serie zu der Primärseite- des Transformators (11) und in Serie zu der gesteuerten Strecke des Transistors (16) geschaltet ist, eine Gleichrichterschaltung (21) , die mit einer Sekundär- seite des Transformators (11) gekoppelt ist und an deren Ausgang die zweite Gleichspannung (U-G) abgreifbar ist, die Steuerungsanordnung (1) , die an ihrem ersten Eingang (3) mit einem Anschluss des ersten Widerstands (10) und an ihrem ersten Ausgang (7) mit dem Steueranschluss (17) des Transistors (16) gekoppelt ist.
11. Spannungskonverter nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Widerstand (23) zwischen dem zweiten Eingang (5) der Steuerungsschaltung (1) und dem zweiten primärseitigen Anschluss (13) des Transformators (11) geschaltet ist.
12. Spannungskonverter nach Anspruch 7 und 10 oder nach Anspruch 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Widerstand (24) zwischen dem zweiten Eingang (5) der Steuerungsschaltung (1) und dem ersten primärseitigen An- Schluss (12) des Transformators (11) geschaltet ist.
13. Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung (21) umfasst: - eine Diode (25) mit einer Anode, die mit einem sekundär- seitigen Anschluss (15) des Transformators (11) verbunden ist, und einen Kondensator (26) mit einer ersten Elektrode, die mit einer Kathode der Diode (25) verbunden ist, und mit einer zweiten Elektrode, die mit einem weiteren sekundär- seitigen Anschluss (14) des Transformators (11) verbunden ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Elektrode des Kondensators (26) die zweite Gleichspannung (U-G) abgreifbar ist.
14. Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung (21) eine Brückengleichrichter- schaltung oder eine Mittelpunktschaltung umfasst.
15. Verfahren zum Konvertieren einer ersten Gleichspannung (UBAT) in eine zweite Gleichspannung (U-G) , umfassend folgende Schritte: Speichern von Energie in einem Transformator (11) mittels Betreiben eines Transistors (16) in einem niederohmigen Zustand während einer Anschaltdauer (T-ON) einer Anschaltphase, wobei die erste Gleichspannung (UBAT) einem ersten und einem zweiten primärseitigen Anschluss (12,
13) des Transformators (11) zugeleitet wird und der Transistor (16) in eine der Zuleitungen geschaltet ist und durch eine Primärseite des Transformators (11) ein erster Strom (II) fließt, - Abgeben von Energie auf einer Sekundärseite des Transformators (11) mittels
Betreiben des Transistors (16) in einem hochohmigen Zustand während einer Ausschaltdauer (T-OFF) einer Ausschaltphase, wobei die Ausschaltdauer (T-OFF) aus einem Wert des ersten Stroms (II) in der Anschaltphase oder aus einem von dem Wert des ersten Stroms (II) in der Anschaltphase ableitbaren Wert ermittelt wird, und Erzeugen der zweiten Spannung (U-G) durch Gleichrich- ten eines zweiten Stromes (12), der von der Sekundärseite des Transformators abgegeben wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Ermitteln eines Mittelwertes des von dem Wert des ersten Stromes (II) und aus mindestens einem zeitlich in der Anschaltphase folgenden weiteren Wert des ersten Stroms (II) ableitbaren Wert zur Ermittelung der Ausschaltdauer (T-OFF) .
17. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch
Ermitteln des Wertes des ersten Stroms (II) in der Anschaltphase durch Abtasten des ersten Stroms (II) mit einer ein- stellbaren Verzögerungsdauer (T-V) gegenüber dem Beginn der Anschaltphase zur Ermittelung der Ausschaltdauer (T-OFF) .
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch
Einstellen der Anschaltdauer (T-ON) derart, dass der erste Strom (II) während der Anschaltphase betragsmäßig kleiner als ein einstellbarer erster Stromgrenzwert (SGl) ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, gekennzeichnet durch
Verlängern der Ausschaltphase um eine einstellbare Verlängerungsdauer (T-R) , wenn die zweite Gleichspannung (U-G) in der Ausschaltphase betragsmäßig größer als ein einstellbarer ers- ter Spannungsgrenzwert (SPGl) ist, und anschließendes Schalten in die Anschaltphase.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, gekennzeichnet durch Steuern des Transistors (16) durch Einstellen des Widerstandswertes einer gesteuerten Strecke des Transistors (16) während des Überganges von der Anschaltphase zu der Ausschaltphase derart, dass eine zweite Spannung (U2) , welche zwischen einem ersten und einem zweiten primärseitigen An- Schluss des Transformators (11) abgreifbar ist, kleiner als ein zweiter einstellbarer Spannungsgrenzwert (SPG2) ist.
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