WO2018073015A1 - Verfahren zum betreiben eines gleichspannungswandlers, steuervorrichtung für einen gleichspannungswandler und gleichspannungswandler - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines gleichspannungswandlers, steuervorrichtung für einen gleichspannungswandler und gleichspannungswandler Download PDF

Info

Publication number
WO2018073015A1
WO2018073015A1 PCT/EP2017/075360 EP2017075360W WO2018073015A1 WO 2018073015 A1 WO2018073015 A1 WO 2018073015A1 EP 2017075360 W EP2017075360 W EP 2017075360W WO 2018073015 A1 WO2018073015 A1 WO 2018073015A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
converter
output
value
control device
duty cycle
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/075360
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian STÖGER
Emil Kovatchev
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Gmbh filed Critical Continental Automotive Gmbh
Priority to US16/342,223 priority Critical patent/US10587197B2/en
Priority to CN201780060574.XA priority patent/CN109804540A/zh
Publication of WO2018073015A1 publication Critical patent/WO2018073015A1/de

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/38Means for preventing simultaneous conduction of switches
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048Circuits or arrangements for reducing losses
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a DC-DC converter, so that the DC-DC converter autonomously configured to ensure the most efficient operation possible.
  • the invention also includes a control device for the DC-DC converter in order to carry out the method according to the invention.
  • the invention also includes a DC-DC converter with the control device according to the invention.
  • a DC-DC converter or DC-DC converter should operate at different operating points, i. with different load cases or changing loads, always an optimal one
  • the invention has for its object to optimally operate a DC-DC converter for different conditions in each case with respect to the energy efficiency.
  • One aspect of the invention describes a method for operating a DC-DC converter or DC-DC converter.
  • the DC-DC converter is operated by means of a pulse width modulation, ie at an output by means of a regulator unit, an output variable, for example, the output voltage from ⁇ regulated to a predetermined setpoint.
  • the output is a control variable.
  • the controller unit is in this case a pulse width modulated switching signal of a switching transistor of the DC-DC converter in dependence on an actual value of the off ⁇ input variable is a pulse duty ⁇ ratio based on a control law (Duty Cycle) a.
  • a single switching transistor may be provided.
  • a rectifying diode may also be replaced by a second transistor, resulting in said synchronous converter.
  • the controller unit thus adjusts the duty cycle to regulate the controlled variable.
  • the duty cycle is not the only operating parameter or the only characteristic of the pulse width modulation. For example, the period or
  • PWM frequency PWM - pulse width modulation
  • the controller unit has at least one such operating parameter for providing the pulse width modulation, which, however, is not used for adjusting, but is predetermined independently of the actual value of the output variable. In other words, this operating parameter is not used to control the output.
  • the method according to the aspect of the invention also provides the following.
  • the at least one operating parameter is configured changeable. In other words, it is not determined by circuitry, but can by a
  • Control device can be set or changed.
  • the at least one operating spa changed parameter to a respective new parameter value, either tentatively or temporarily.
  • the Reg ⁇ lerritt then reacts to it in the way that it is still trying regulate the target value for the output variable and adjust the duty cycle for this purpose in accordance with the control law. Since the boundary conditions have changed, namely the at least one operating parameter, such as the PWM frequency, this may result in a new value for the duty cycle.
  • the control device is checked whether the control unit adjusts a smaller duty cycle with constant setpoint and the chosen range ⁇ new parameter value for adjusting the output as before setting the respective new parameter value. In this case, ie if the duty cycle is reduced by the controller unit, the new new parameter value is retained. In the opposite case, ie if the controller unit increases the duty cycle, the respective new parameter value is reversed. In other words, the respective parameter value that was available or set before the new parameter value is set is reset.
  • the control device therefore changes the tentative Randbe ⁇ conditions in the form of at least one operating parameter for the control unit.
  • the control unit continues to operate its control loop in accordance with the regulation and sets a duty cycle associated with the at least one operating parameter for adjusting the setpoint.
  • the control device changes the at least one parameter value as long as this results in a reduction of the duty cycle.
  • the DC-DC converter converges toward a minimized duty cycle for a given setpoint.
  • This corresponds ⁇ speaks maximize the efficiency of the DC-DC converter, as will be generally derived below in connection with the explanation of the embodiment.
  • the control device can thus vary in the manner described different operating parameters of the control unit, thereby optimizing their operation in terms of efficiency.
  • a period duration ie the inverse of the PWM frequency
  • a new parameter value ie the inverse of the PWM frequency
  • an edge steepness of switching edges can be varied by means of the respective new parameter value.
  • the invention also includes optional technical features, each resulting in an additional advantage.
  • the optimum operating point in terms of power efficiency or, in short, efficiency is achieved in particular by globally minimizing the duty cycle by repeatedly setting the at least one new parameter value.
  • an output variable is regulated by the regulator unit.
  • the regulator unit it is preferably provided that in the case of the DC-DC converter an input voltage is received at one input and an output voltage or an output current or an output power is regulated to the desired value at the output as the output variable.
  • control device Since the control device is not part of the control unit itself, but influences it from the outside by changing the at least one parameter value, the control device must be able to recognize the resulting duty cycle, which is set by the control unit. For this purpose, be ⁇ vorzugt provided that the duty cycle by the STEU ⁇ ervortechnisch based on a measurement of time
  • Control device is determined based on the switching signal, by means of which at least one switching transistor or short transistor of the DC-DC converter is switched.
  • This switching signal can, for example, at a gate of the transistor created or created.
  • Impedances of lines unadulterated duty cycle are unadulterated duty cycle.
  • three measurement options are available for determining the real duty cycle or duty cycle, namely a time measurement, a measurement of an integrated signal in the form of, for example, a gate signal and a calculated value of the required duty cycle.
  • the control device varies in the manner described different operating parameters of the regulator unit, thereby optimizing their operation in terms of efficiency.
  • a dead time between synchronous inverse phase connected transistors can be adjusted by means of a parameter value.
  • the controller unit When checking a change in the duty cycle, it should be ensured that the controller unit is currently in a steady state, ie the duty cycle has not already changed due to a change, for example, the setpoint or the output variable or the connected electrical load.
  • the at least one operating parameter is only or only changed by the control device if it is detected by the control device that a deviation of the
  • the transient criterion may indicate that there is a difference between the actual value and the target value r
  • the transient criterion may provide, for example, that the deviation must fluctuate for less than a predetermined tolerance value for a predetermined minimum period of time. In other words, therefore, the deviation of the controlled variable or the output variable from its nominal value must be low (in absolute terms smaller than the threshold value).
  • the controller unit should be steady, i. the deviation for the minimum duration of time is less than the tolerance value.
  • the controller unit when setting the at least one new parameter value, the controller unit itself is in a steady state or a steady state, i. outside a regulation phase. Thus, it can be assumed that a change in the duty cycle is due to the change in the at least one parameter value.
  • control device for a DC-DC converter is provided in a further aspect of the invention.
  • the control device may, for example, be based on a microcontroller or as part of an integrated circuit
  • the control device is configured to determine a duty cycle that has been set by a regulator unit of the DC-DC converter. Is further arranged, the control device to at least one operating parameter of the controller unit to jus ⁇ animals, ie a respective parameter value of the at least one operating parameter to readjust or change. Furthermore, the control device is set up to carry out an embodiment of the method according to the invention.
  • the DC-DC converter results according to a further aspect of the invention.
  • This has an electrical coil and a regulator unit for regulating an output variable at an output of the DC-DC converter.
  • the adjustment takes place by switching the coil current of the electrical coil by means of at least one switching transistor on the basis of a pulse width modulation in the manner described.
  • the controller unit is coupled to an embodiment of the control device according to the invention. As a result, the control unit and thus the DC-DC converter is configured overall to an optimum in terms of power efficiency by the operation of the control device.
  • the DC-DC converter can, for example, in a
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the DC-DC converter according to the invention
  • Fig. 2 is a diagram with a schematic course of a
  • Fig. 3 is a diagram with a schematic temporal
  • the exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention.
  • the described components of the embodiment each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which also each independently further develop the invention and thus also individually or in a different combination than the one shown as part of the invention.
  • the described embodiment can also be supplemented by further features of the invention already described.
  • functionally identical elements are each provided with the same reference numerals.
  • Fig. 1 shows a DC-DC converter or DC-DC converter 10, which receive an input voltage Ui n from a voltage source 12 at an input 11 and at an output 13 an output voltage U ou t for an electrical load 14 can generate.
  • the voltage source 12 may be, for example, a battery or a power supply.
  • the electrical load 14 may be, for example, a controller or a DC motor.
  • Shown in Figure 1 is a boost converter or boost converter.
  • the DC-DC converter 10 has an electrical coil 15, a switch in the form of a switching transistor or short transistor 16 and a rectifier diode 17. Instead of equal ⁇ rectification diode 17, a further switch may be provided for a synchronous converter in the form of a transistor.
  • a smoothing capacitor 18 may be provided at the output 13.
  • an electrical contact of the input 11 is connected to a contact of the transistor 16 and a contact of the diode 17 or the second transistor.
  • the coil 15 and the diode 17 are connected to a second electrical contact of the input 11 and the output 13.
  • the coil 15 and the transistor 16 are connected to a first electrical contact of the output 13.
  • the smoothing capacitor 18 capacitively connects or couples the two electrical contacts of the output 13.
  • the transistor 16 can be switched by a regulator unit 19 by means of a pulse width modulation 20 of a switching signal 20 ⁇ at the gate of the transistor 16.
  • the controller unit 19 can hereby adjust a duty cycle which is also referred to as pulse-pause ratio or duty cycle D in dependence on a value of the output voltage U out in order to adjust thereby the off ⁇ output voltage Uout to a target value 21st
  • a duty cycle which is also referred to as pulse-pause ratio or duty cycle D in dependence on a value of the output voltage U out in order to adjust thereby the off ⁇ output voltage Uout to a target value 21st
  • An actual value 22 of the output voltage U ou t can, via aistsmessein ⁇ direction 23, for example, a voltage divider by the Regulator unit 19 are detected.
  • the control unit 19 can set the duty cycle D of the pulse width modulation 20 as a function of the actual value 22 and the setpoint value 21 by means of a control regulation 24, for example a PID control (PID - proportional integral differential).
  • a control device 25 may be provided, for example as part of an IC, by means of which the regulator unit 19 may also be provided.
  • At least one parameter value 26 for an operating parameter of the control unit 19, which is provided for setting or providing the pulse width modulation 20, can be changed or adjusted and thereby the power efficiency n can be optimized.
  • the control device 25 detects this iteratively to improve the power efficiency ⁇ basis of a data value 27 of the duty ratio D, the control device 25 can receive from the controller unit 19th
  • the changing of the at least one parameter value 26 can be carried out as a function of a steady state of the controller unit 19 if, for example, a system deviation 28 ( ⁇ ) fulfills a predetermined transient criterion 29, for example less than a predetermined one
  • Threshold amount is.
  • boost converter boost converter
  • Pin is hereby the total recorded electrical power and P ou t the output power output.
  • advance set ⁇ that the input voltage U thereto, and the output voltage U out by the control unit 19 is controlled.
  • Boost converter for the coil current 30, the output current 31, the average input current Ii n , ag and the average output current I ou t, av g is made: for the up-converter:
  • Fig. 3 illustrates in a comparable manner, the average output current I ou t, g av for a coil current 32 and an input current 33 A ⁇ a down converter (buck-converter). If we now insert the equations into each other, one obtains for the power efficiency n:
  • the control device 25 therefore has to determine and only the real tactile ⁇ ratio D of the DC-10 at least one operating parameter by changing its parameter value 26 vary, thereby to find a minimum of the actual duty cycle D. If a global minimum of the duty ratio D is found for a given desired value 21 and a given load in the form of the load 14 and given input voltage U i n , the set parameter values 26 describe the value optimal operating point for a given supply condition and load condition.
  • the determination of the real duty cycle D can be done by timing or via a measurement of an integrated signal, for example, the control signal or switching signal 20 ⁇ for the gate of the transistor 16. 1 shows an embodiment in which duty cycle D is used as digital value 27, that is to say the specification of the required duty cycle determined by control unit 19.
  • a variable operating parameter is generally one that is relevant to the efficiency n of the DC-DC converter 10. This is in particular the PWM frequency f, and it may additionally also be a dead time for the embodiment with synchronous antiphase switching transistors of the synchronous converter.
  • the edge steepness of the switching ⁇ operations may here additionally or alternatively play a role, in which case the electromagnetic compatibility (EMC) is influenced, which should be considered.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the regulator unit 19 can regulate the output voltage U ou t in the described manner in the DC-DC converter 10. However, regulation of an output current 31 and / or of the output power P out at the output 13 may also be provided.
  • the control device 25 may be in such a way part of an IC, which also includes the control unit 19. However, it is also possible to provide a combination of separate arithmetic unit with software or as switching logic and a separate controller unit 19. The only requirement is that the DC-DC converter 10 provides the information about the duty cycle D in ge ⁇ suitable manner, ie analog or digital, the control device 25 is available. The control device 25 then has the Possibility of adjusting the parameter values to be 26 or ⁇ influences and to determine the response of the controller unit in the form of a changed value of the duty ratio D.
  • the determination of the real duty ratio D or the use of the data value 27 with the required duty cycle D only happens if the deviation 28 of the controlled variable (output voltage at voltage transformer with voltage as output variable, output current at voltage transformer with current as output variable or Output ⁇ power at voltage converter with power as output variable) of the setpoint 21 in terms of amount is less than a threshold value, so it is very low.
  • the deviation should be less than 20%, preferably less than 10%.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers (10), welcher an einem Ausgang (13) mittels einer Reglereinheit (19) eine Ausgangsgröße (Uout) auf einen vorgegebenen Sollwert (21) einregelt, wobei die Reglereinheit (19) in Abhängigkeit von einem Istwert (22) der Ausgangsgröße (Uout) ein Tastverhältnis (D) einer Pulsweitenmodulation (20) einstellt und wobei die Reglereinheit (19) zumindest einen Betriebsparameter zum Bereitstellen der Pulsweitenmodulation (20) aufweist. Der zumindest eine Betriebsparameter ist veränderbar ausgestaltet und durch eine Steuervorrichtung (25) wird der zumindest eine Betriebsparameter auf einen jeweiligen neuen Parameterwert (26) verändert und überprüft, ob die Reglereinheit (19) bei gleich bleibendem Sollwert (21) und jeweiligem neuen Parameterwert (26) ein kleineres Tastverhältnis (D) zum Einregeln der Ausgangsgröße (Uout) einstellt als vor dem Einstellen des jeweiligen neuen Parameterwerts (26), und in diesem Fall wird der jeweilige neue Parameterwert (26) beibehalten und im gegenteiligen Fall wird der jeweiligen neue Parameterwert (26) rückgängig gemacht. Als der zumindest eine Betriebsparameter wird eine Periodendauer (T) der Pulsweitenmodulation (20) und/oder eine Flankensteilheit von Schaltflanken mittels des jeweiligen neuen Parameterwerts (26) variiert.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers, Steu¬ ervorrichtung für einen Gleichspannungswandler und Gleich- spannungswandler
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers, damit sich der Gleichspannungswandler selbstständig konfiguriert, um einen möglichst effizienten Betrieb zu gewährleisten. Zu der Erfindung gehört auch eine Steuervorrichtung für den Gleichspannungswandler, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Schließlich umfasst die Erfindung auch einen Gleichspannungswandler mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung.
Ein Gleichspannungswandler oder DC-DC-Wandler sollte in unterschiedlichen Betriebspunkten, d.h. bei unterschiedlichen Lastfällen oder wechselnden Lasten, stets eine optimale
Leistungseffizienz aufweisen, d.h. bei unterschiedlichen Randbedingungen am Eingang und am Ausgang immer den optimalen Arbeitspunkt finden.
In der US 2009/0179619 AI wird der Zusammenhang der Effizienz zwischen Eingangsspannung, Eingangsstrom, Ausgangsstrom und dem Tastverhältnis (Duty Cycle) hergestellt, um einen optimalen Arbeitspunkt zu finden.
Aus der US 2005/0219883 AI ist bekannt, dass mittels eines MikroControllers ein Gleichspannungswandler in Abhängigkeit von erfassten Größen konfiguriert werden kann, um einen effizienten Betrieb des Gleichspannungswandlers einzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler für unterschiedliche Randbedingungen jeweils in Bezug auf die Energieeffizienz optimal zu betreiben.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Pa¬ tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er- findung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Durch einen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers oder DC-DC-Wandlers beschrieben. Der Gleichspannungswandler wird dabei mittels einer Pulsweitenmodulation betrieben, d.h. an einem Ausgang wird mittels einer Reglereinheit eine Ausgangsgröße, beispielsweise die Aus¬ gangsspannung, auf einen vorgegebenen Sollwert eingeregelt. Die Ausgangsgröße stellt also eine Regelgröße dar. Die Reglereinheit stellt hierbei in Abhängigkeit von einem Istwert der Aus¬ gangsgröße auf Grundlage einer Regelvorschrift ein Tastver¬ hältnis (Duty Cycle) eines pulsweitenmodulierten Schaltsignals eines Schalttransistors des Gleichspannungswandlers ein. Bei einem Gleichspannungswandler mit Gleichrichtdiode kann ein einzelner Schalttransistor vorgesehen sein. Eine Gleichrichtdiode kann auch durch einen zweiten Transistor ersetzt sein, wodurch sich der besagte synchrone Konverter ergibt. Die Reglereinheit passt also das Tastverhältnis an, um die Regelgröße einzuregeln. Das Tastverhältnis ist aber nicht der einzige Betriebsparameter oder der einzige Kennwert der Pulsweitenmodulation. Beispielsweise ist die Periodendauer oder
PWM-Frequenz (PWM - Pulsweitenmodulation) ein weiterer Betriebsparameter. Die Reglereinheit weist zumindest einen solchen Betriebsparameter zum Bereitstellen der Pulsweitenmodulation auf, der aber nicht zum Einregeln verwendet wird, sondern unabhängig von dem Istwert der Ausgangsgröße vorgegeben wird. Mit anderen Worten wird dieser Betriebsparameter nicht zum Einregeln der Ausgangsgröße verwendet.
Um nun den Betrieb des Gleichspannungswandlers automatisiert zu einem Effizienzoptimum hin zu konfigurieren, ist bei dem Verfahren gemäß dem genannten Aspekt der Erfindung zudem Folgendes vorgesehen. Der zumindest eine Betriebsparameter ist veränderbar ausgestaltet. Mit anderen Worten ist er nicht schaltungstechnisch festgelegt, sondern kann durch eine
Steuervorrichtung eingestellt oder verändert werden. Durch die Steuervorrichtung wird hierzu der zumindest eine Betriebspa- rameter auf einen jeweiligen neuen Parameterwert verändert und zwar versuchsweise oder zunächst vorübergehend. Die Reg¬ lereinheit reagiert dann darauf in der Weise, dass sie weiterhin versucht, den Sollwert für die Ausgangsgröße einzuregeln und hierzu das Tastverhältnis entsprechend der Regelvorschrift anzupassen. Da sich die Randbedingungen geändert haben, nämlich der zumindest eine Betriebsparameter, wie beispielsweise die PWM-Frequenz , kann sich hierbei ein neuer Wert für das Tastverhältnis ergeben. Durch die Steuervorrichtung wird überprüft, ob die Reglereinheit bei gleichbleibendem Sollwert und je¬ weiligem neuen Parameterwert ein kleineres Tastverhältnis zum Einregeln der Ausgangsgröße einstellt als vor dem Einstellen des jeweiligen neuen Parameterwerts. In diesem Fall, wenn also das Tastverhältnis durch die Reglereinheit verringert wird, wird der j eweilige neue Parameterwert beibehalten . Im gegenteiligen Fall, wenn also die Reglereinheit das Tastverhältnis vergrößert, wird der jeweilige neue Parameterwert rückgängig gemacht. Es wird also derjenige jeweilige Parameterwert wieder eingestellt, der vor dem Einstellen des neuen Parameterwerts vorhanden oder ein- gestellt war.
Die Steuervorrichtung ändert also versuchsweise die Randbe¬ dingungen in Form des zumindest einen Betriebsparameters für die Reglereinheit. Die Reglereinheit betreibt hierbei ihre Re- gelschleife gemäß der Regelvorschrift weiter und stellt ein zu dem zumindest einen Betriebsparameter gehöriges Tastverhältnis zum Einregeln des Sollwerts ein. Die Steuervorrichtung verändert hierbei den zumindest einen Parameterwert so lange, wie sich hierdurch eine Verringerung des Tastverhältnisses ergibt. Somit konvergiert insgesamt der Gleichspannungswandler hin zu einem minimierten Tastverhältnis bei gegebenem Sollwert. Dies ent¬ spricht einer Maximierung der Effizienz des Gleichspannungswandlers, wie im Folgenden in Zusammenhang mit der Erläuterung des Ausführungsbeispiels allgemein hergeleitet werden wird.
Die Steuervorrichtung kann somit in der beschriebenen Weise unterschiedliche Betriebsparameter der Reglereinheit variieren, um hierdurch deren Betrieb im Sinne der Effizienz zu optimieren. Als der zumindest eine Betriebsparameter wird eine Periodendauer (d.h. das Inverse der PWM-Frequenz ) der Pulsweitenmodulation durch einen neuen Parameterwert verstellt oder umgestellt. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine Flankensteilheit von Schaltflanken mittels des jeweiligen neuen Parameterwerts variiert werden.
Zu der Erfindung gehören auch optionale technische Merkmale, durch die sich jeweils ein zusätzlicher Vorteil ergibt.
Der optimale Arbeitspunkt im Sinne der Leistungseffizienz oder kurz Effizienz wird insbesondere dadurch erreicht, dass durch wiederholtes Einstellen des zumindest einen neuen Parameterwerts das Tastverhältnis global minimiert wird.
Wie bereits ausgeführt, wird durch die Reglereinheit eine Ausgangsgröße geregelt. Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass bei dem Gleichspannungswandler an einem Eingang eine Eingangsspannung empfangen wird und an dem Ausgang als die Aus- gangsgröße eine Ausgangsspannung oder ein Ausgangsstrom oder eine Ausgangsleistung auf den Sollwert geregelt wird.
Da die Steuervorrichtung nicht Teil der Reglereinheit selbst ist, sondern diese von außen durch Verändern des zumindest einen Parameterwerts beeinflusst, muss die Steuervorrichtung in der Lage sein, das resultierende Tastverhältnis, welches durch die Reglereinheit eingestellt wird, zu erkennen. Hierzu ist be¬ vorzugt vorgesehen, dass das Tastverhältnis durch die Steu¬ ervorrichtung auf der Grundlage einer Zeitmessung von
Schaltflanken in der Ausgangsgröße gemessen wird. Hierzu ist dann keine direkte Verschaltung der Steuervorrichtung mit der Reglereinheit nötig. Somit kann die Steuervorrichtung nach¬ träglich mit der Reglereinheit gekoppelt werden. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das Tastverhältnis durch die
Steuervorrichtung anhand des Schaltsignals ermittelt wird, mittels welchem zumindest ein Schalttransistor oder kurz Transistor des Gleichspannungswandlers geschaltet wird. Dieses Schaltsignal kann beispielsweise an einem Gate des Transistors angelegt oder erzeugt sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Messung des Tastverhältnisses nicht beispielsweise durch eine dem Gleichspannungswandler nachgeschaltete kapazitive oder induktive Last verfälscht wird. Eine dritte Al- ternative besteht darin, dass durch die Steuervorrichtung das Tastverhältnis direkt aus der Reglereinheit digital erfasst wird, indem ein digitaler Datenwert aus der Reglereinheit empfangen wird, den die Reglereinheit mittels einer Prozes¬ soreinrichtung ermittelt hat. Es handelt sich hierbei um das theoretische, erforderliche Tastverhältnis, also ein durch
Impedanzen von Leitungen unverfälschtes Tastverhältnis. Somit stehen also zur Ermittlung des realen Tastverhältnisses oder Duty Cycle drei Messmöglichkeiten zur Verfügung, nämlich eine Zeitmessung, eine Messung eines integrierten Signals in Form beispielsweise eines Gate-Signals und ein berechneter Wert des erforderlichen Tastverhältnisses .
Die Steuervorrichtung variiert in der beschriebenen Weise unterschiedliche Betriebsparameter der Reglereinheit, um hierdurch deren Betrieb im Sinne der Effizienz zu optimieren. Zusätzlich zu den genannten Betriebsparametern, d.h. der Periodendauer der Pulsweitenmodulation und/oder der Flankensteilheit von Schaltflanken, kann eine Totzeit zwischen synchron gegenphasig geschalteten Transistoren mittels eines Parameterwerts eingestellt werden.
Beim Überprüfen einer Veränderung des Tastverhältnisses sollte sichergestellt werden, dass sich die Reglereinheit aktuell in einem eingeschwungenen Zustand befindet , also das Tastverhältnis nicht schon aufgrund einer Veränderung, zum Beispiel des Sollwerts oder der Ausgangsgröße oder der angeschlossenen elektrischen Last verändert. Insbesondere kann hierzu vorgesehen sein, dass der zumindest eine Betriebsparameter durch die Steuervorrichtung erst oder nur verändert wird, falls durch die Steuervorrichtung detektiert wird, dass eine Abweichung des
Istwerts von dem Sollwert ein vorbestimmtes Einschwingkriterium erfüllt. Das Einschwingkriterium kann beispielsweise besagen, dass ein Unterschied zwischen dem Istwert und dem Sollwert r
betragsmäßig kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert sein muss. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Einschwingkriterium beispielsweise vorsehen, dass die Abweichung für eine vorbestimmte MindestZeitdauer um weniger als einen vorbestimmten Toleranzwert schwanken muss. Mit anderen Worten muss also die Abweichung der Regelgröße oder Ausgangsgröße von ihrem Sollwert gering sein (betragsmäßig kleiner als der Schwellenwert) . Des Weiteren sollte die Reglereinheit eingeschwungen sein, d.h. die Abweichung für die MindestZeitdauer kleiner als der Toleranzwert sein. Somit befindet sich also beim Einstellen des zumindest einen neuen Parameterwerts die Reglereinheit selbst in einer eingeschwungenen Phase oder einem eingeschwungenen Zustand, d.h. außerhalb einer Einregelphase. Somit kann davon ausgegangen werden, dass eine Veränderung des Tastverhältnisses auf die Veränderung des zumindest einen Parameterwerts zurückzuführen ist .
Um das Verfahren gemäß dem oben genannten Aspekt der Erfindung durchzuführen, ist in einem weiteren Aspekt der Erfindung eine Steuervorrichtung für einen Gleichspannungswandler vorgesehen. Die Steuervorrichtung kann beispielsweise auf der Grundlage eines MikroControllers oder als Teil eines integrierten
Schaltkreises (IC - Integrated Circuit) oder durch eine Re¬ cheneinheit realisiert sein. Die Steuervorrichtung ist dazu eingerichtet, ein Tastverhältnis zu ermitteln, das von einer Reglereinheit des Gleichspannungswandlers eingestellt wurde. Des Weiteren ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, zumindest einen Betriebsparameter der Reglereinheit zu jus¬ tieren, d.h. einen jeweiligen Parameterwert des zumindest einen Betriebsparameters neu einzustellen oder zu verändern. Des Weiteren ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Durch Kombinieren der Steuervorrichtung mit einem Gleich- spannungswandler ergibt sich gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung der Gleichspannungswandler. Dieser weist eine elektrische Spule und eine Reglereinheit zum Einregeln einer Ausgangsgröße an einem Ausgang des Gleichspannungswandlers auf. Das Einregeln erfolgt durch Schalten des Spulenstroms der elektrischen Spule mittels zumindest eines Schalttransistors auf der Grundlage einer Pulsweitenmodulation in der beschriebenen Weise. Die Reglereinheit ist dabei mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung gekoppelt. Hierdurch wird die Reglereinheit und damit der Gleichspannungswandler insgesamt zu einem Optimum im Sinne der Leistungseffizienz durch den Betrieb der Steuervorrichtung konfiguriert.
Der Gleichspannungswandler kann beispielsweise in einem
Kraftfahrzeug bereitgestellt sein.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers;
Fig. 2 ein Diagramm mit einem schematisierten Verlauf eines
Spulenstroms einer Aufwärts-Gleichrichtung über der Zeit t; und
Fig. 3 ein Diagramm mit einem schematisierten zeitlichen
Verlauf eines Spulenstroms einer Ab¬ wärts-Gleichrichtung .
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar. In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen DC-DC-Wandler oder Gleichspannungswandler 10, der an einem Eingang 11 eine Eingangsspannung Uin aus einer Spannungsquelle 12 empfangen und an einem Ausgang 13 eine Ausgangsspannung Uout für einen elektrischen Verbraucher 14 erzeugen kann. Die Spannungsquelle 12 kann beispielsweise eine Batterie oder ein Netzteil sein. Der elektrische Verbraucher 14 kann beispielsweise ein Steuergerät oder ein Gleichstrommotor sein. Dargestellt in Fig. 1 ist ein Aufwärtswandler oder Boost-Wandler . Der Gleichspannungswandler 10 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine elektrische Spule 15, einen Schalter in Form eines Schalttransistors oder kurz Transistors 16 und eine Gleichrichtdiode 17 auf. Anstelle der Gleich¬ richtdiode 17 kann ein weiterer Schalter in Form eines Transistors für einen synchronen Konverter vorgesehen sein. Es kann zudem ein Glättungskondensator 18 am Ausgang 13 vorgesehen sein. Durch die Spule 15 ist ein elektrischer Kontakt des Eingangs 11 mit einem Kontakt des Transistors 16 und einem Kontakt der Diode 17 oder des zweiten Transistors verschaltet. Durch den Transistor 16 sind die Spule 15 und die Diode 17 mit einem zweiten elektrischen Kontakt des Eingangs 11 und des Ausgangs 13 verschaltet. Durch die Diode 17 sind die Spule 15 und der Transistor 16 mit einem ersten elektrischen Kontakt des Ausgangs 13 verschaltet. Der Glättungskondensator 18 verschaltet oder koppelt kapazitiv die beiden elektrischen Kontakte des Ausgangs 13. Der Transistor 16 kann durch eine Reglereinheit 19 mittels einer Pulsweitenmodulation 20 eines Schaltsignals 20 λ an dem Gate des Transistors 16 geschaltet werden. Die Reglereinheit 19 kann hierbei ein Tastverhältnis, das auch als Puls-Pause-Verhältnis oder Duty Cycle D bezeichnet wird, in Abhängigkeit von einem Wert der Ausgangsspannung Uout einstellen, um hierdurch die Aus¬ gangsspannung Uout auf einen Sollwert 21 einzuregeln. Ein Istwert 22 der Ausgangsspannung Uout kann über eine Spannungsmessein¬ richtung 23, beispielsweise einen Spannungsteiler, durch die Reglereinheit 19 erfasst werden. Die Reglereinheit 19 kann in Abhängigkeit von dem Istwert 22 und dem Sollwert 21 mittels einer Regelvorschrift 24, beispielsweise einer PID-Regelung (PID - Proportional Integral Differential) das Tastverhältnis D der Pulsweitenmodulation 20 einstellen.
Um hierbei eine Leistungseffizienz n des Gleichspannungswandlers 10 zu optimieren, kann eine Steuervorrichtung 25 vorgesehen sein, beispielsweise als Bestandteil eines ICs, durch welches auch die Reglereinheit 19 bereitgestellt sein kann.
Durch die Steuervorrichtung 25 kann zumindest ein Parameterwert 26 für einen Betriebsparameter der Reglereinheit 19, der zum Einstellen oder Bereitstellen der Pulsweitenmodulation 20 vorgesehen ist, verändert oder eingestellt werden und hierdurch die Leistungseffizienz n optimiert werden. Die Steuervorrichtung 25 erkennt hierbei iterativ eine Verbesserung der Leistungs¬ effizienz anhand eines Datenwerts 27 des Tastverhältnisses D, den die Steuervorrichtung 25 aus der Reglereinheit 19 empfangen kann. Das Verändern des zumindest einen Parameterwerts 26 kann in Abhängigkeit von einem eingeschwungenen Zustand der Reglereinheit 19 durchgeführt werden, wenn beispielsweise eine Regelabweichung 28 (ε) ein vorbestimmtes Einschwingkriterium 29 erfüllt, beispielsweise kleiner als ein vorbestimmter
Schwellenwert im Betrag ist.
Diese Optimierung der Leistungseffizienz η ergibt sich aus folgender Betrachtung der Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen des Gleichspannungswandlers, durch welche sich ergibt, dass die Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen keine zusätzliche Information darüber bringen, ob ein Arbeitspunkt oder Betriebspunkt des Gleichspannungswandlers 10, d.h. die aktuellen Parameterwerte 26 ideal sind oder nicht. Es besteht folgende Berechnung für die Effizienz η:
Für den Aufwärtswandler (Boost-Konverter) : 11out, v9
Figure imgf000012_0001
li~n,avg und für den Abwärtswandler (Buck-Konverter) u I
1 out _ uout lout,avg lout,av 9
^buck n D
* in uin Hn.avg Hn.avg
Pin ist hierbei die insgesamt aufgenommene elektrische Leistung und Pout die abgegebene Ausgangsleistung. Dabei wird voraus¬ gesetzt, dass die Eingangsspannung Uin gegeben und die Aus- gangsspannung Uout durch die Reglereinheit 19 geregelt wird.
Betrachtet man nun die Stromverläufe in der Wandlerinduktivität, d.h. der Spule 15, und beachtet, dass nach dem Gesetz von Kirchhoff ein Strom, der in einen Knoten hineinfließt auch wieder aus diesem herausfließen muss, so erhält man folgende Zusammenhänge für die Mittelwerte der Ströme, wobei in Fig. 1 und Fig. 2 die Veranschaulichung für den Aufwärtswandler
(Boost-Konverter) für den Spulenstrom 30, den Ausgangsstrom 31, den durchschnittlichen Eingangsstrom Iin,a g und den durch- schnittlichen Ausgangsstrom Iout,avg gemacht ist: für den Aufwärtswandler:
1out,avg tin,avg ^ )
Figure imgf000012_0002
Hn.avg und für den Abwärtswandler:
Hn.avg 1out,avg u
I
lout,avg _ 11
hn.avg ^ In Fig. 2 sind des Weiteren die Periodendauer T, d.h. die Inverse der PWM-Frequenz f = 1/T und das reale Tastverhältnis oder Duty Cycle D veranschaulicht.
Fig. 3 veranschaulicht in vergleichbarer Weise den mittleren Ausgangsstrom Iout , avg für einen Spulenstrom 32 und einen Ein¬ gangsstrom 33 eines Abwärtswandlers (Buck-Konverter) . Setzt man nun die Gleichungen jeweils ineinander ein, so erhält man für die Leistungseffizienz n:
Figure imgf000013_0001
D
buck
Für beide Ergebnisse gilt, dass, falls n größer werden soll, das reale Tastverhältnis D kleiner werden muss. Insofern ist es von keiner Bedeutung mehr, welche Leistungen am Eingang 11 und am Ausgang 13 vorhanden sind. Es ist lediglich das Minimum des realen Tastverhältnisses D zu suchen. Das bedeutet, dass die Steu¬ ervorrichtung 25 lediglich ein Verfahren durchführen muss, das die Effizienz n des Gleichspannungswandlers 10 optimiert, ohne explizit auf diesen Wert der Effizienz n zu achten oder auch nur eine Größe zu erfassen, die die Berechnung der Effizienz n ermöglichen würde.
Die Steuervorrichtung 25 muss also lediglich das reale Tast¬ verhältnis D des Gleichspannungswandlers 10 ermitteln und mindestens einen Betriebsparameter durch Verändern von dessen Parameterwert 26 variieren, um hierdurch ein Minimum des realen Tastverhältnisses D zu finden. Ist ein globales Minimum des Tastverhältnisses D bei gegebenem Sollwert 21 und gegebener Last in Form des Verbrauchers 14 und gegebener Eingangsspannung Uin gefunden, so beschreiben die eingestellten Parameterwerte 26 den optimalen Arbeitspunkt bei vorgegebener Versorgungsbedingung und Lastbedingung.
Die Ermittlung des realen Tastverhältnisses D kann durch Zeitmessung oder über eine Messung eines integrierten Signals, beispielsweise des Stellsignals oder Schaltsignals 20 λ für das Gate des Transistors 16, erfolgen. In Fig. 1 ist eine Aus¬ führungsform dargestellt, bei welcher das Tastverhältnis D als Digitalwert 27, d.h. die Angabe des durch die Reglereinheit 19 ermittelten erforderlichen Duty Cycle, herangezogen wird.
Ein veränderbarer Betriebsparameter ist allgemein ein solcher, welcher für die Effizienz n des Gleichspannungswandlers 10 relevant ist. Das ist insbesondere die PWM-Frequenz f, und es kann sich zusätzlich auch um eine Totzeit für die Ausführungsform mit synchronen gegenphasig schaltenden Transistoren des synchronen Konverters handeln. Auch die Flankensteilheit der Umschalt¬ vorgänge kann hier zusätzlich oder alternativ eine Rolle spielen, wobei hier auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beeinflusst wird, was berücksichtigt werden sollte. Durch einfache Versuche kann festgestellt werden, welcher der ge¬ nannten Betriebsparameter für ein gegebenes Modell eines Gleichspannungswandlers 10 am effektivsten zur Optimierung der Effizienz n führt.
Die Reglereinheit 19 kann bei dem Gleichspannungswandler 10 in der beschriebenen Weise die Ausgangsspannung Uout regeln. Es kann aber auch eine Regelung eines Ausgangsstroms 31 und/oder der Ausgangsleistung Pout am Ausgang 13 vorgesehen sein.
Die Steuervorrichtung 25 kann in besagter Weise Teil eines ICs sein, die auch die Reglereinheit 19 beinhaltet. Es kann aber auch eine Kombination aus separater Recheneinheit mit Software oder als Schaltlogik und davon getrennter Reglereinheit 19 vorgesehen sein. Voraussetzung ist lediglich, dass der Gleichspannungswandler 10 die Information über das Tastverhältnis D in ge¬ eigneter Weise, d.h. analog oder digital, der Steuervorrichtung 25 zur Verfügung stellt. Die Steuervorrichtung 25 hat dann die Möglichkeit, die Parameterwerte 26 einzustellen oder zu be¬ einflussen und die Reaktion der Reglereinheit in Form eines veränderten Werts des Tastverhältnisses D zu ermitteln.
Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Ermittlung des realen Tastverhältnisses D oder das Heranziehen des Datenwerts 27 mit dem erforderlichen Tastverhältnis D nur dann geschieht, falls die Abweichung 28 der Regelgröße (Ausgangsspannung bei Spannungswandler mit Spannung als Ausgangsgröße, Ausgangsstrom bei Spannungswandler mit Strom als Ausgangsgröße oder Ausgangs¬ leistung bei Spannungswandler mit Leistung als Ausgangsgröße) von dem Sollwert 21 betragsmäßig kleiner als ein Schwellenwert ist, also sehr gering ist. Insbesondere sollte die Abweichung kleiner als 20%, bevorzugt kleiner als 10 % , sein.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Effizienzanpassung für Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) bereitgestellt werden kann, ohne die Ein- und Ausgangsleistung zu messen.
Bezugs zeichenliste
10 Gleichspannungswandler
11 Eingang
12 Spannungsquelle
13 Ausgang
14 Elektrischer Verbraucher
15 Elektrische Spule
16 Transistor
17 Gleichrichtdiode
18 Glättungskondensator
19 Reglereinheit
20 Pulsweitenmodulation
21 Sollwert
22 Istwert
23 Spannungsmesseinheit
24 Reglervorschrift
25 Steuervorrichtung
26 Parameterwert
27 Datenwert
28 Reglerabweichung
29 Einschwingkriterium
30 Spulenstrom
31 Ausgangsstrom
32 Spulenstrom
33 Eingangsstrom
D Tastverhältnis
T Periodendauer
t Zeit
Uin Eingangsspannung
Uout Ausgangsspannung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers (10), welcher an einem Ausgang (13) mittels einer Reglereinheit (19) eine Ausgangsgröße ( Uout ) auf einen vorgegebenen Sollwert (21) einregelt, wobei die Reglereinheit (19) in Abhängigkeit von einem Istwert (22) der Ausgangsgröße (Uout ) ein Tastverhältnis (D) einer Pulsweitenmodulation (20) eines Schaltsignals (20 λ) für zu¬ mindest einen Schalttransistor (16) des Gleichspannungswandlers (10) gemäß einer vorbestimmten Regelvorschrift (23) einstellt und wobei die Reglereinheit (19) zumindest einen Betriebspa¬ rameter zum Bereitstellen der Pulsweitenmodulation (20) aufweist, welcher der Reglereinheit (19) unabhängig von dem Istwert (22) vorgegeben wird, wobei der zumindest eine Betriebsparameter veränderbar ausgestaltet ist und durch eine Steuervorrichtung (25) der zumindest eine Betriebsparameter auf einen jeweiligen neuen Parameterwert (26) verändert und dann überprüft wird, ob die Reglereinheit (19) bei gleich bleibendem Sollwert (21) und j eweiligem neuen Parameterwert (26) ein kleineres Tastverhältnis (D) zum Einregeln der Ausgangsgröße (Uout ) einstellt als vor dem Einstellen des jeweiligen neuen Parameterwerts (26), und in diesem Fall der jeweilige neue Parameterwert (26) beibehalten und im gegenteiligen Fall der jeweilige neue Parameterwert (26) rückgängig gemacht wird, wobei als der zumindest eine Be- triebsparameter eine Periodendauer (T) der Pulsweitenmodulation (20) und/oder eine Flankensteilheit von Schaltflanken mittels des jeweiligen neuen Parameterwerts (26) variiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch wiederholtes Einstellen zumindest eines neuen Parameterwerts (26) das Tastverhältnis (D) minimiert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Gleichspannungswandler (10) an einem Eingang (11) eine Eingangsspannung ( Uin ) empfangen wird und an dem Ausgang (13) als Ausgangsgröße ( Uout ) eine Ausgangsspannung ( Uout ) oder ein Ausgangsstrom oder eine Ausgangsleistung auf den Sollwert (21) geregelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Tastverhältnis (D) durch die Steuervorrichtung (25) auf der Grundlage einer Zeitmessung von Schaltflanken in der Aus- gangsgröße ( Uout ) oder anhand eines den zumindest einen Transistor (16) schaltenden Schaltsignals (20 λ) ermittelt wird oder als ein von einer Prozessoreinrichtung der Reglereinheit (19) ermittelter, ein erforderliches Tastverhältnis (D) angebender di¬ gitaler Datenwert (27) empfangen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als der zumindest eine Betriebsparameter eine Totzeit zwischen synchron gegenphasig geschalteten Transistoren mittels des jeweiligen neuen Parameterwerts (26) variiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Betriebsparameter durch die Steuervorrichtung (25) erst verändert wird, falls durch die Steuervorrichtung (25) detektiert wird, dass eine Abweichung (28) des Istwerts (22) von dem Sollwert (22) ein vorbestimmtes Einschwingkriterium (29) erfüllt .
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Einschwingkriterium (29) umfasst, dass die Abweichung (28) betragsmäßig kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist und/oder dass die Abweichung (28) seit einer vorbestimmten MindestZeitdauer um weniger als ein vorbestimmter Toleranzwert schwankt.
8. Steuervorrichtung (25) für einen Gleichspannungswandler (10), wobei die Steuervorrichtung (25) dazu eingerichtet ist, ein von einer Reglereinheit (19) des Gleichspannungswandler (10) eingestelltes Tastverhältnis (D) zu ermitteln und zumindest einen Betriebsparameter der Reglereinheit (19) zu justieren, wobei die Steuervorrichtung (25) zudem dazu eingerichtet ist , ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
9. Gleichspannungswandler (10) mit einer elektrischen Spule (15) und mit einer Reglereinheit (19) zum Einregeln einer Aus- gangsgröße (Uout) an einem Ausgang (13) des Gleichspannungs¬ wandlers (10) mittels zumindest eines Schalttransistors (16) auf der Grundlage einer Pulsweitenmodulation (20), wobei die Reglereinheit (19) mit einer Steuervorrichtung (25) nach An- spruch 8 gekoppelt ist.
PCT/EP2017/075360 2016-10-17 2017-10-05 Verfahren zum betreiben eines gleichspannungswandlers, steuervorrichtung für einen gleichspannungswandler und gleichspannungswandler WO2018073015A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/342,223 US10587197B2 (en) 2016-10-17 2017-10-05 Method for operating a DC-DC converter, control apparatus for a DC-DC converter, and DC-DC converter
CN201780060574.XA CN109804540A (zh) 2016-10-17 2017-10-05 用于操作dc-dc转换器的方法、控制装置以及dc-dc转换器

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016220204.9A DE102016220204A1 (de) 2016-10-17 2016-10-17 Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers, Steuervorrichtung für einen Gleichspannungswandler und Gleichspannungswandler
DE102016220204.9 2016-10-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018073015A1 true WO2018073015A1 (de) 2018-04-26

Family

ID=60120031

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2017/075360 WO2018073015A1 (de) 2016-10-17 2017-10-05 Verfahren zum betreiben eines gleichspannungswandlers, steuervorrichtung für einen gleichspannungswandler und gleichspannungswandler

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10587197B2 (de)
CN (1) CN109804540A (de)
DE (1) DE102016220204A1 (de)
WO (1) WO2018073015A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017128123A1 (de) * 2017-11-28 2019-05-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zur Selbstoptimierung des Wirkungsgrads eines in einem Arbeitspunkt betriebenen Schaltreglers
EP3886305A1 (de) 2020-03-24 2021-09-29 FRONIUS INTERNATIONAL GmbH Verfahren zum betreiben eines wechselrichters und wechselrichter zur durchführung des verfahrens

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050219883A1 (en) 2004-02-24 2005-10-06 Maple Robert D Dynamically optimized power converter
US20090146630A1 (en) * 2007-12-05 2009-06-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device
US20090179619A1 (en) 2007-12-12 2009-07-16 Intersil Americas Inc. Voltage regulator system and method for efficiency optimization using duty cycle measurements
US8981751B1 (en) * 2007-05-09 2015-03-17 Intersil Americas LLC Control system optimization via adaptive frequency adjustment

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8077490B1 (en) * 2007-03-16 2011-12-13 Maxim Integrated Products, Inc. Limit-cycle oscillation (LCO) generation by altering a digital transfer function of a feedback loop element
JP5381014B2 (ja) * 2008-10-29 2014-01-08 ミツミ電機株式会社 Dc−dcコンバータ
EP2230755B1 (de) * 2009-03-19 2017-09-06 Dialog Semiconductor GmbH Ladungsstromreduzierung für strombegrenzte, geschaltete Stromversorgung
US20130140896A1 (en) * 2011-08-31 2013-06-06 Victor Tzinker Adaptive loading of power sources with high and non-linear output impedance: method, system and apparatus
EP2573575B1 (de) * 2011-09-23 2016-04-13 Infineon Technologies AG Digitale Schaltwandlersteuerung
EP2810362B1 (de) * 2012-01-30 2016-01-27 Telefonaktiebolaget L M Ericsson (publ) Steuerung eines schaltnetzteils mit maximierter leistungseffizienz
CN102684490A (zh) * 2012-04-28 2012-09-19 浙江大学 应用于单电感双输出降压变换器的定频准滑模控制器
US9136763B2 (en) * 2013-06-18 2015-09-15 Intersil Americas LLC Audio frequency deadband system and method for switch mode regulators operating in discontinuous conduction mode
US9735677B2 (en) * 2015-06-05 2017-08-15 Endura IP Holdings Ltd. DC-DC converter having digital control and reference PWM generators
US10673339B2 (en) * 2015-07-23 2020-06-02 Texas Instruments Incorporated Hysteretic control for transformer based power converters
US10181791B2 (en) * 2017-04-14 2019-01-15 Allegro Microsystems, Llc Converter digital control circuit with adaptive compensation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050219883A1 (en) 2004-02-24 2005-10-06 Maple Robert D Dynamically optimized power converter
US8981751B1 (en) * 2007-05-09 2015-03-17 Intersil Americas LLC Control system optimization via adaptive frequency adjustment
US20090146630A1 (en) * 2007-12-05 2009-06-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device
US20090179619A1 (en) 2007-12-12 2009-07-16 Intersil Americas Inc. Voltage regulator system and method for efficiency optimization using duty cycle measurements

Also Published As

Publication number Publication date
US10587197B2 (en) 2020-03-10
CN109804540A (zh) 2019-05-24
US20190245441A1 (en) 2019-08-08
DE102016220204A1 (de) 2018-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102015223768B4 (de) Abwärts-Aufwärts-Wandler
DE102012216133B4 (de) Dc/dc-wandler, verfahren für das bereitstellen einer ausgangsspannung auf der basis einer eingangsspannung und computerprogramm
DE102009027347A1 (de) Steuerung für einen Synchron-Schaltwandler im Lückbetrieb
DE112018004065T5 (de) Digitale steuerung eines leistungswandlers im switched boundary-modus ohne stromsensor
EP3028377B1 (de) Gleichspannungswandler
DE102015107957A1 (de) Einstufige Gleichrichtung und Regelung für drahtlose Ladesysteme
DE102014111109A1 (de) Leistungsfaktorkorrekturschaltung und -verfahren
DE102015221414B4 (de) Schaltung und Verfahren zur Begrenzung des maximalen Tastverhältnisses in Aufwärtsumsetzern
DE112014004225T5 (de) Ladungspumpenzeitsteuerung
DE102014119100A1 (de) System und verfahren für einen leistungswandler
DE102017213055B4 (de) DC/DC-Wandler
DE112016004961T5 (de) Mehrphasenwandler
DE102017212354A1 (de) Niederohmiger Lastschalter mit Ausgangsstromstärkesteuerung
DE102018117014A1 (de) Fahrzeugmontierte signalgeneratorschaltung und fahrzeugmontierte stromversorgungseinrichtung
DE102017219010B4 (de) Direktes Laden mit wechselseitiger aktiver Klemmung
DE102015219307B4 (de) Schaltleistungswandler mit einer Strombegrenzungsschaltung
DE102013208720A1 (de) Leistungswandlerschaltkreis und Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlerschaltkreises
DE112017005404T5 (de) DC-DC Wandler
EP3433925A1 (de) Gleichspannungs-konverter und verfahren zur regelung eines gleichspannungs-konverters
WO2018073015A1 (de) Verfahren zum betreiben eines gleichspannungswandlers, steuervorrichtung für einen gleichspannungswandler und gleichspannungswandler
DE10249802A1 (de) Gleichspannungswandler und Verfahren zur Gleichspannungswandlung
AT16908U1 (de) PFC-Modul für lückenden Betrieb
DE102020125208A1 (de) Induktorstromnebenschluss zum abschwächen von lastabfalltransienten in dc/dc-regulierern
DE112014006190T5 (de) Schaltnetzteil
DE112018005881T5 (de) Energie-umwandlungseinrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17784922

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17784922

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1