WO2014072247A1 - Elektrische vorrichtung zur getakteten weitergabe von elektrischer energie - Google Patents

Elektrische vorrichtung zur getakteten weitergabe von elektrischer energie Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to switching electrical systems, such as e.g. electrical devices, by the electrical energy clocked from an input to an output is passed.
  • electrical devices are e.g. as switching regulator for control circuits or e.g. Transformation of DC voltages is known (see, e.g., US-A-2008/0175029 and US-A-2012/0250378).
  • a buffer typically in the form of a capacitor
  • the progressively required miniaturization of switching electrical systems is forcing ever smaller components to be used, requiring an increase in the switching or fundamental frequency at which the system is operated. These fundamental frequencies are thus above certain frequency bands, within which the clocked system may not emit electromagnetic radiation. This can be prevented, for example, by structural and circuit measures or at least be mitigated according to the EMC regulations, but this is in any case associated with additional effort.
  • the object of the invention is to provide a switching or clocked operated electrical device, which has simplified ways of preventing / reducing the radiated power in a predetermined frequency band.
  • the invention proposes an electrical device for clocked transmission of electrical energy or clocked transmission of electrical energy, wherein the device is provided with
  • the minimum permissible minimum number and the maximum permissible maximum number of drive pulses of the drive pulse group and / or control pause group are used to exclude subharmonics which are selected within specifiable subfrequency bands lying below the fundamental frequency.
  • the subharmonic of the fundamental frequency during operation of the system in the partial load range by pulse-packet modulation to control.
  • pulse-packet modulation By this control using only pulse packets, ie. An horrpuls- groups and / or control pauses (bursts) with a certain number of drive pulses, the resulting subharmonic (s) which adjust in the frequency spectrum can be influenced by selecting the number of pulses of the pulse packets accordingly.
  • the pulse-packet modulation provided according to the invention in partial load operation can be equated with a pulse density modulation.
  • switching regulators for a variety of purposes, such as e.g. for voltage generation (DC / DC converter) are called.
  • a boost converter boost converter
  • a buck converter Buck converter
  • SEPIC SEPIC
  • Cuk converter Cuk converter
  • the pulse width modulated with a fundamental frequency of a few MHz is operated to select the number of pulses in the pulse-packet modulation so that the system, for example, not in the AM band and does not radiate acoustically perceptible.
  • Acoustically perceptible noises can be caused by mechanical properties as a result of electrical excitation of the electrical components such as the capacitor or the inductance required as a rule for intermediate storage of electrical energy.
  • the electrical device has a memory (for example, an inductor and / or a capacitor) for temporarily storing electrical energy for transforming a DC input voltage present at the input into an output. gangsretewelt at the output, wherein the switch for charging the memory and for the purpose of passing the stored electrical energy to the output taking place unloading of the memory clocked switched on and off.
  • a memory for example, an inductor and / or a capacitor
  • the clocked switch is located at the respectively intended for the specific electrical circuit position between the input and output of the electrical device and used in this embodiment of the invention of the alternating charging and discharging a memory, which is, for example, a capacitor.
  • a memory which is, for example, a capacitor.
  • Other circuit components, such as inductors and freewheeling diodes are also integrated into the electrical circuit, but this is basically known in electrical switching regulators.
  • Using a fixed or frequency modulated fundamental frequency e.g. for power transmission in switching regulators, e.g. allows dimensioning of external components;
  • Avoidance of acoustic emissions for example, generated by mechanical properties of intermittently driven electronic components such as e.g. capacitors;
  • Fig. 1 by way of example and schematically a circuit diagram for an electrical switching system in the form of a DC / DC voltage converter for a vehicle and schematically the concept of pulse-packet modulation in partial load operation in contrast to the otherwise occurring pulse width modulation in normal operation of the switching system of FIG. 1.
  • an electrical device 10 is shown as a circuit, which in this embodiment is a DC voltage converter (DC / DC voltage converter), which is operated for example by the electrical system of a vehicle.
  • the power supply 12 is thus supplied by the vehicle electrical system, wherein the device 10 comprises an LC element 14 with an on-board electrical system (V BN ) connected inductance 16 and a switched to ground capacitance 18 in the form of an electrical energy storing capacitor 20 , Between the inductor 16 and the capacitor 18, a freewheeling diode 22 is connected, wherein the circuit node 24 between the freewheeling diode 22 and the inductor 16 by means of a clocked switch 26 operable alternately connected to ground.
  • V BN on-board electrical system
  • the switch 26 is driven by a switching regulator (generally a drive unit 28) which receives at its input the output voltage present between the freewheeling diode 22 and the capacitor 18 (see node 30).
  • a switching regulator generally a drive unit 28
  • the device 10 delivers at its output 34 a regulated by the drive unit 28 output voltage for operating a load 35th
  • the drive unit 28 generates a pulse-width-modulated drive signal in the form of a drive pulse train 36, which consists of a series of pulses 38 which can be modulated with respect to their width.
  • Circuit concepts of the type described above and shown in Fig. 1 are basically known.
  • the peculiarity of the device 10 can be seen in the switchability of the actuation of the switch 26 in certain phases of the operation of the device 10, for example in partial load operation. This is shown for example in FIG. 2.
  • the top diagram in FIG. 2 shows the uninterrupted drive pulse train 36 in normal mode in the form of a PWM (Pulse Width Modulation).
  • FIG. 2 show the peculiarities of the invention and the control in partial load operation.
  • pulse packets are predeterminable length and hidden with arbitrary number of drive pulses and the activation of the switch 26 occurs only still in the remaining periods in the form of pulse packets 40 in which the at ⁇ control pulses are applied to the switch 26 38th This will no longer supplied with the 26 determined by the pulse width modulation Grundfre acid sequence with drive pulses 38, but with a sub-harmonic of the fundamental frequency of the switches.
  • Control unit switching controller

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Abstract

Die elektrische Vorrichtung (10) zur getakteten Weitergabe von elektrischer Energie oder mit getakteter Weitergabe von elektrischer Energie ist versehen mit einem Eingang (32) sowie einem Ausgang (34) und einem zwischen dem Eingang (32) und dem Ausgang (34) geschalteten, getakteten Schalter (26). Ferner weist die Vorrichtung (10) eine Ansteuereinheit (28) zur Taktung des Schalters (26) durch eine Pulsweitenmodulation mit einer Grundfrequenz auf, mit der Ansteuerpulse (38) aufeinanderfolgen. Die Pulsweitenmodulation ist durch periodische Taktung während jeweils lediglich einer Ansteuerpulsgruppe bestehend aus einer variablen, vorgebbaren Anzahl von aufeinanderfolgenden Ansteuerpulsen (38) oder Ansteuerpausen und damit bei einer Subharmonischen der Grundfrequenz betreibbar ist, wobei die minimal zulässige Mindestanzahl und die maximal zulässige Höchstanzahl der Ansteuerpulse (38) oder -pausen der Ansteuerpulsgruppe zum Ausschluss von Subharmonischen, die innerhalb vorgebbarer, unterhalb der Grundfrequenz liegender Subfrequenzbänder gewählt sind.

Description

Elektrische Vorrichtung zur getakteten Weitergabe
von elektrischer Energie
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der europäischen Patentanmeldung EP 12 191 816.3 vom 8. November 2012 in Anspruch, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung wird.
Die Erfindung betrifft schaltende elektrische Systeme wie z.B. elektrische Vorrichtungen, durch die elektrische Energie getaktet von einem Eingang an einen Ausgang weitergegeben wird. Derartige Vorrichtungen sind z.B. als Schaltregler für Regelkreise oder z.B. Transformation von Gleichspannungen bekannt (siehe z.B. US-A- 2008/0175029 und US-A-2012/0250378). Zur getakteten Weitergabe von elektrischer Energie dient bei schaltenden elektrischen Vorrichtungen ein Zwischenspeicher (typischerweise in Form eines Kondensators), der getaktet auf- und entladbar ist.
Die fortschreitend geforderte Miniaturisierung schaltender elektrischer Systeme zwingt zur Verwendung immer kleiner werdender Bauteile, was eine Erhöhung der Schalt- bzw. Grundfrequenz erforderlich macht, bei der das Sys- tem betrieben wird. Diese Grundfrequenzen liegen damit oberhalb bestimmter Frequenzbänder, innerhalb derer das getaktete System keine elektromagnetische Strahlung abgeben darf. Dies kann z.B. durch bauliche und schaltungstechnische Maßnahmen verhindert oder zumindest den EMV-Bestimmungen entsprechend abgemildert werden, was aber in jedem Fall mit zusätzlichem Aufwand verbunden ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine schaltende bzw. getaktet betriebene elektrische Vorrichtung zu schaffen, die über vereinfachte Möglichkeiten der Verhinderung/Reduzierung der in einem vorgebbaren Frequenzband abgestrahlten Leistung verfügt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine elektrische Vorrichtung zur getakteten Weitergabe von elektrischer Energie oder mit getakteter Weitergabe von elektrischer Energie vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit
- einem Eingang sowie einem Ausgang,
einem zwischen dem Eingang und dem Ausgang geschalteten, getakteten
Schalter und
einer Ansteuereinheit zur Taktung des Schalters durch eine Pulsweitenoder Pulsdichtemodulation mit einer Grundfrequenz, mit der Ansteuer- pulse aufeinanderfolgen.
Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Pulsweitenmodulation durch periodische Taktung während jeweils lediglich einer Ansteuerpulsgruppe bestehend aus einer variablen, vorgebbaren Anzahl von aufeinanderfolgenden Ansteuerpulsen und/oder
Ansteuerpausen und damit bei einer Subharmonischen der Grundfrequenz betreibbar ist und
dass die minimal zulässige Mindestanzahl und die maximal zulässige Höchstanzahl der Ansteuerpulse der Ansteuerpulsgruppe und/oder An- steuerpausengruppe zum Ausschluss von Subharmonischen, die innerhalb vorgebbarer, unterhalb der Grundfrequenz liegender Subfrequenzbänder gewählt sind.
Mit der Erfindung wird sinngemäß und zusammengefasst vorgeschlagen, bei einem elektrischen System, das mit einer recht hohen Grundfrequenz getaktet/geschaltet wird, die Subharmonischen der Grundfrequenz bei Betrieb des Systems im Teillastbereich durch eine Puls-Paket-Modulation zu kontrollieren. Durch diese Ansteuerung mittels lediglich Puls-Paketen, d.h . Ansteuerpuls- gruppen und/oder Ansteuerpausen (Bursts) mit einer bestimmten Anzahl von Ansteuerpulsen kann bzw. können die resultierende Subharmonische(n), die sich im Frequenzspektrum einstellt/einstellen, beeinflusst werden, indem die Anzahl der Pulse der Puls-Pakete entsprechend gewählt wird. In gewisser Weise kann die im Teillastbetrieb erfindungsgemäß vorgesehene Puls-Paket- Modulation mit einer Pulsdichtenmodulation gleichgesetzt werden.
Als Anwendungsbeispiele für die Erfindung können Schaltregler für die unterschiedlichsten Zwecke wie z.B. zur Spannungserzeugung (DC/DC-Converter) genannt werden. Ferner seien als Anwendungsbeispiele ein Hochsetzsteller (Boost-Konverter), ein Tiefsetzsteller (Buck-Konverter), ein SEPIC- und ein Cuk-Konverter genannt.
Mit der Erfindung ist es z.B. möglich, bei einem geschalteten elektrischen System, das pulsweitenmoduliert mit einer Grundfrequenz von einigen wenigen MHz betrieben wird, die Anzahl der Pulse bei der Puls-Paket-Modulation so zu wählen, dass das System z.B. nicht im AM-Band und nicht akustisch wahrnehmbar abstrahlt. Akustisch wahrnehmbare Geräusche können dabei durch mechanische Eigenschaften infolge einer elektrischen Anregung der elektri- sehen Bauteile wie z.B. dem im Regelfall zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie erforderlichen Kondensator oder der Induktivität hervorgerufen werden. Durch Vorab-Analysen, d.h. z.B. Simulationen oder empirische Untersuchungen sind die unter dem Gesichtspunkt der Vermeidung/Unter¬ drückung/Dämpfung von Leistungsabstrahlung in den jeweils vorgegebenen, auszuschließenden Frequenzbändern oder Einzelfrequenzen zulässigen Zahlenbereiche für die Anzahl von Pulsen für die Puls-Paket-Modulation zu ermitteln, die für einen Teillastbetrieb der elektrischen schaltbaren Vorrichtung zulässig sind. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Vorrichtung einen Speicher (aus z.B. einer Induktivität und/oder einer Kapazität) zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie zur Transformation einer am Eingang anstehenden Eingangsgleichspannung in eine Aus- gangsgleichspannung am Ausgang aufweist, wobei der Schalter zum Aufladen des Speichers und zum zwecks Weitergabe der gespeicherten elektrischen Energie an den Ausgang erfolgenden Entladen des Speichers getaktet ein- und ausschaltbar ist. Der getaktete Schalter befindet sich an der für die spezifische elektrische Schaltung jeweils vorgesehenen Position zwischen Eingang und Ausgang der elektrischen Vorrichtung und dient bei dieser Weiterbildung der Erfindung der alternierenden Aufladung sowie Entladung eines Speichers, bei dem es sich beispielsweise um einen Kondensator handelt. Weitere schaltungstechnische Komponenten, wie beispielsweise Induktivitäten und Freilauf- dioden sind ebenfalls in die elektrische Schaltung integrierbar, was aber an sich bei elektrischen Schaltreglern grundsätzlich bekannt ist.
Die Hauptmerkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Kontrolle über die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen von schaltbaren Systemen wie beispielsweise Schaltreglern durch kontrollierte Puls- Paket-Modulation (beispielsweise in der Anwendung der Spannungserzeugung durch einen Schaltregler);
Verwendung einer festen oder frequenzmodulierten Grundfrequenz z.B. zur Energieübertragung bei Schaltreglern, die z.B. eine Dimensionierung von externen Komponenten ermöglicht;
Vermeidung von Emissionen in vorgebbaren bestimmten Frequenzbändern, beispielsweise in dem Amplituden-Modulationsband für den Rundfunk-Empfang in Kfz-Radios, unter anderem und insbesondere im Falle von nicht kontinuierlichem Schaltbetrieb;
Vermeidung von akustischen Emissionen, beispielsweise generiert durch mechanische Eigenschaften intermittierend angesteuerter elektronischer Komponenten wie z.B. Kondensatoren;
Verwendung einer Puls-Dichte-Funktion zur Modulation der Ausgangsleistung der elektrischen Vorrichtung, wobei diese im Weiteren, aber nicht notwendigerweise mit variabler Frequenz generiert werden kann;
Formung einer Einhüllenden der Schaltvorgänge (Taktung) durch Anlegen von Randbedingungen wie minimale Aktivierungszeiten,
minimale Deaktivierungszeiten und
maximale Zyklusdauer;
Reduktion von Emissionsspitzen durch wahlweise und insbesondere vari- able Verwendung/Nutzung zumindest einer der zuvor genannten Randbedingungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei; Fig. 1 beispielhaft und schematisch ein Schaltbild für ein elektrisches schaltendes System in Form eines DC/DC-Spannungskonverters für ein Fahrzeug und schematisch das Konzept der Puls-Paket-Modulation im Teillastbetrieb im Gegensatz zur ansonsten erfolgenden Pulsweitenmodulation im Normalbetrieb des schaltenden Systems gemäß Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine elektrische Vorrichtung 10 als Schaltung gezeigt, wobei es sich in diesem Ausführungsbeispiel um einen Gleichspannungsumformer (DC/DC-Spannungskonverter) handelt, der beispielsweise vom Bordnetz eines Fahrzeugs betrieben wird. Die Spannungsversorgung 12 wird also durch das Bordnetz geliefert, wobei die Vorrichtung 10 ein LC-Glied 14 mit einer an V- Bordnetz (VBN) angeschlossenen Induktivität 16 und einer gegen Masse geschalteten Kapazität 18 in Form eines elektrische Energie speichernden Kon- densators 20 umfasst. Zwischen der Induktivität 16 und der Kapazität 18 ist eine Freilaufdiode 22 geschaltet, wobei der Schaltungsknoten 24 zwischen der Freilaufdiode 22 und der Induktivität 16 mit Hilfe eines getaktet betreibbaren Schalters 26 alternierend mit Masse verbindbar ist. Der Schalter 26 wird von einem Schaltregler (allgemein einer Ansteuereinheit 28) angesteuert, der an seinem Eingang die an dem zwischen der Freilaufdiode 22 und der Kapazität 18 anstehende Ausgangsspannung (siehe den Knoten 30) empfängt. Während also am Eingang 32 der Vorrichtung 10 die Versorgungsspannung VBN ansteht, liefert die Vorrichtung 10 an ihrem Ausgang 34 eine durch die Ansteuereinheit 28 geregelte Ausgangsspannung zum Betreiben eines Verbrauchers 35.
Die Ansteuereinheit 28 erzeugt ein pulsweitenmoduliertes Ansteuerungssignal in Form einer Ansteuerpulsfolge 36, die aus einer Folge von bezüglich ihrer Weite modulierbaren Pulsen 38 besteht.
Schaltungskonzepte der oben beschriebenen und in Fig. 1 gezeigten Art sind grundsätzlich bekannt. Die Besonderheit der Vorrichtung 10 ist in der Umschaltbarkeit der Ansteue- rung des Schalters 26 in bestimmten Phasen des Betriebs der Vorrichtung 10, beispielsweise im Teillastbetrieb, zu sehen . Dies ist beispielsweise in Fig. 2 gezeigt. Das oberste Diagramm in Fig . 2 zeigt die ununterbrochene Ansteuerpulsfolge 36 bei Normalbetrieb in Form einer PWM (Pulsweitenmodulation).
Das mittlere und das untere Diagramm in Fig . 2 zeigen die Besonderheiten der Erfindung und der Ansteuerung im Teillastbetrieb. Hier werden Puls-Pakete vorgebbarer Länge und mit vorgebbarer Anzahl von Ansteuerpulsen ausgeblendet bzw. die Ansteuerung des Schalters 26 erfolgt lediglich noch in den verbleibenden Zeiträumen in Form von Puls-Paketen 40, in denen die An¬ steuerpulse 38 an den Schalter 26 angelegt werden. Dadurch wird der Schalter 26 nicht mehr mit der durch die Pulsweitenmodulation bestimmten Grundfre¬ quenz mit Ansteuerpulsen 38 versorgt, sondern mit einer Subharmonischen der Grundfrequenz. Durch die Wahl der minimal zulässigen Mindestaktivie- rungszeit (T0N,MIN), der minimal zulässigen Mindestdeaktivierungszeit (T0FF,MIN), der maximal zulässigen Höchstdeaktivierungszeit (TOFF,MAX) und der maximal zulässigen Höchstzyklusdauer (TPERIOD,MAX) lassen sich wahlweise Subfrequenz- bänder und Subeinzelfrequenzen unterhalb der Grundfrequenz ausschließen, so dass der Schaltregler 28 und die gesamte Vorrichtung 10 in diesen Berei- chen des Frequenzspektrums nicht bzw. reduziert abstrahlen. Beispielsweise lässt sich auf diese Art und Weise bei einer Grundfrequenz, die im MHz-Bereich liegt, das Emissionsspektrum im AM-Bereich ausschließen. Ebenso kann man den akustisch noch wahrnehmbaren Frequenzbereich ausschließen. Mit anderen Worten ist es also nach der Erfindung möglich, bezüglich der Anzahl der Ansteuerpulse 38 pro Puls-Paket 40 die Mindestanzahl und die Höchstanzahl von Ansteuerpulsen 38 zu bestimmen bzw. umgekehrt pro ausgeblendetem Puls-Paket diese Grenzwerte zu definieren.
Mit dem erfindungsgemäßen Konzept ist es also möglich, hochfrequent bzw. höchstfrequent getaktete elektrische Systeme derart zu modulieren, dass in vorgebbaren Subharmonischen-Frequenzbändern keine oder reduzierte elektromagnetische oder akustische Emission von dem System ausgeht, wobei dieses Konzept ohne aufwändige konstruktive/schaltungstechnische EMV-Maß- nahmen realisiert werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
Vorrichtung
Spannungsversorgung
LC-Glied
Induktivität
Kapazität
Kondensator
Freilaufdiode
Schaltungsknoten
Schalter
Ansteuereinheit (Schaltregler)
Schaltungsknoten
Eingang
Ausgang
Verbraucher
Ansteuerpulsfolge (Ansteuerungssignal)
Ansteuerpulse
Puls-Paket

Claims

ANSPRÜCHE
1. Elektrische Vorrichtung zur getakteten Weitergabe von elektrischer Energie oder mit getakteter Weitergabe von elektrischer Energie, mit
einem Eingang (32) sowie einem Ausgang (34),
einem zwischen dem Eingang (32) und dem Ausgang (34) geschalteten, getakteten Schalter (26) und
einer Ansteuereinheit (28) zur Taktung des Schalters (26) durch eine Pulsweiten- oder Pulsdichtemodulation mit einer Grundfrequenz, mit der Ansteuerpulse (38) aufeinanderfolgen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Pulsweitenmodulation durch periodische Taktung während jeweils lediglich einer Ansteuerpulsgruppe bestehend aus einer variablen, vorgebbaren Anzahl von aufeinanderfolgenden Ansteuerpulsen (38) oder Ansteuerpausen und damit bei einer Subharmonischen der Grundfrequenz betreibbar ist und
dass die minimal zulässige Mindestanzahl und die maximal zulässige Höchstanzahl der Ansteuerpulse (38) oder -pausen der Ansteuerpulsgruppe zum Ausschluss oder Reduktion von Subharmonischen, die innerhalb vorgebbarer, unterhalb der Grundfrequenz liegender Sub- frequenzbänder gewählt sind.
2. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Speicher (16, 18,20) zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie zur Transformation einer am Eingang (32) anstehenden Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung am Ausgang (34), wobei der Schalter (26) zum Aufladen des Speichers (16,18,20) und zum zwecks Weitergabe der gespeicherten elektrischen Energie an den Ausgang (34) erfolgenden Entladen des Speichers ( 18,20) getaktet ein- und ausschaltbar ist.
3. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung aus einer Induktivität (16), einer Kapazität (18) mit einer zwischen diesen geschalteten Freilaufdiode (22), wobei der Schalter (26) parallel zur Serienschaltung aus Freilaufdiode (22) und Kapazität (18,20) liegt.
4. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung aus einer Induktivität (16), einer Kapazität (18,20) und einer Freilaufdiode (22).
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