WO2012013409A1 - Hochsetzsteller und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

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    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
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    • H02M1/0022—Control circuits providing compensation of output voltage deviations using feedforward of disturbance parameters the disturbance parameters being input voltage fluctuations

Definitions

  • the invention relates to a boost converter and a method for its operation.
  • Step-up converters - often referred to as boost converters, boost converters or step-up converters, represent a special form of DC-DC converter and are used to convert an input voltage into an output voltage with an increased voltage potential.
  • Booster converters have long been known and are used in a variety of applications, such as in a hybrid or electric vehicle for converting a low-voltage DC voltage (on-board voltage) into a high-voltage DC voltage. If the input voltage of the boost converter is close to the desired output voltage, then the boost converter begins to oscillate, since it is not possible to set arbitrarily small gear ratios. To ensure the safety and availability of the boost converter, it is necessary to avoid such a swinging of the boost converter.
  • the present invention provides a method for operating a step-up converter, in which the boost converter, a voltage independent of an input voltage of the boost converter first voltage is set with respect to the input voltage voltage level increased as a target output voltage, as long as the
  • Input voltage is below a first voltage threshold, which is at a lower voltage level than the first voltage.
  • Step-up converter one of the input voltage of the boost converter dependent second voltage set with respect to the input voltage lowered voltage level as a target output voltage. As soon as the input voltage falls below a second voltage threshold, softer at a lower voltage level than that is first voltage, the boost converter is again given the first voltage as the desired output voltage.
  • the present invention provides a step-up converter for converting an input voltage into an output voltage with an increased voltage level, which is operated by a method according to the invention.
  • a first voltage threshold value for the input voltage of the boost converter is set, which lies at a sufficient distance below the first voltage, which represents a conventional nominal output voltage of a boost converter.
  • a first operating range is defined in which a swinging of the boost converter is reliably avoided.
  • a second voltage is specified as the desired output voltage, which is preferably below the input voltage of the boost converter, preferably by a predefinable amount.
  • the first voltage threshold is sensibly set such that on the one hand there is no danger of swinging up of the boost converter, on the other hand, the new, just below the input voltage lying nominal output voltage but sufficient to safely operate downstream circuit components can. If the input voltage falls below a second again
  • Voltage threshold is meaningfully set such that on the one hand after switching to the first target output voltage with certainty no danger of Troschwingens the boost converter is more, but on the other hand, before reaching the second threshold still predetermined, just below the
  • Input voltage lying second target output voltage sufficient to safely operate subsequent circuit components can. Since the predetermined in the first operating range of the boost converter as a target output voltage first voltage during operation can vary, it is according to a Embodiment of the invention provided to set the voltage thresholds in response to the first voltage. In this way it can be ensured that, on the one hand, switching to the second voltage as desired output voltage as late as possible and, on the other hand, returning to the first voltage as desired output voltage as early as possible.
  • the second voltage threshold is at a lower voltage level than the first voltage threshold.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the time course of the voltages on a boost converter according to the invention according to a first
  • Fig. 2 is a schematic representation of the time course of the voltages on a boost converter according to the invention according to a second application.
  • Fig. 1 shows the time course of the input voltage U_E and the target output voltage U_A_SOLL operated by the inventive method not shown boost converter.
  • the input voltage increases continuously, but is always below a first voltage threshold U_lim1, which is set below a first voltage U_A1.
  • the boost converter is preset with the first voltage U_A1, which is independent of the input voltage, as the desired output voltage U_A_SOLL.
  • the first voltage U_A1 defines a relation to the Input voltage U_E increased voltage level, which for the safe
  • the first voltage U_A1 is shown in FIG. 1 as a constant voltage, but may also be variable over time. At least in this case, it makes sense to set the first voltage threshold U_lim1 as a function of the first voltage U_A1
  • a second voltage U_A2 is specified as a new target output voltage.
  • the second voltage U_A2 is predetermined depending on the input voltage U_E of the boost converter and is preferably by a predeterminable amount below the input voltage U_E.
  • the desired output voltage U_A_SOLL thus follows the input voltage U_E at a voltage level which is lower than the input voltage U_E. In fact, this definition of a desired output voltage U_A_SOLL below the
  • Input voltage U_E of the boost converter a deactivation of the boost converter. In this way, a swinging of the boost converter is safely avoided even in this second operating range.
  • T2 falls below the
  • DC-DC converters can also be used as step-down converters - often also as down-converters, step-down converters or buck converters.
  • Such buck converters are used for example in hybrid or electric vehicles for converting a high-voltage DC voltage into a low-voltage DC voltage (on-board voltage).
  • certain combinations of existing high voltage and predetermined low voltage can be problematic due to the architecture of a DC-DC converter, since the solid structure of full and half bridges and the winding ratio of a transformer not for Any conceivable operating point may be suitable.
  • a third, not visible outside the DC-DC converter voltage in the form of an intermediate circuit voltage is introduced, which is above the high voltage and is chosen such that an ideal for each existing combination of full, half-bridge and transformer and the predetermined low voltage Operating point results.
  • a boost converter In order to raise the existing high voltage to the lying at a higher voltage level intermediate circuit voltage, in turn, a boost converter is used.
  • the desired buck converter is implemented by a combined buck-boost converter, wherein the "real" buck converter is preceded by a boost converter, which first raises the input voltage to an even higher voltage level, before the "genuine” setting converter lowers it subsequently to the desired low voltage level. If this is the difference between high and intermediate circuit voltage and consequently the distance of input and
  • FIG. 2 shows, analogously to FIG. 1, the time profiles of the input voltage U_HV (high voltage), the output voltage U_NV (low voltage) as well as the intermediate circuit voltage U_ZK of the combined up-down converter serving as the setpoint output voltage of the boost converter during operation of the boost converter with the invention Method.
  • the statements made with reference to FIG. 1 apply analogously.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochsetzsteller und ein Verfahren zu dessen Betrieb, bei dem dem Hochsetzsteller eine von einer Eingangsspannung (U_E) des Hochsetzstellers unabhängige erste Spannung (U_A1) mit gegenüber der Eingangsspannung (U_E) erhöhtem Spannungsniveau als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben wird, solange die Eingangsspannung (U_E) unterhalb eines ersten Spannungsschwellwertes (U_lim1) liegt, weicher auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung (U_A1) liegt. Sobald die Eingangsspannung (U_E) den ersten Spannungsschellwert (U_lim1) übersteigt, wird dem Hochsetzsteller eine von der Eingangsspannung (U_E) des Hochsetzstellers abhängige zweite Spannung (U_A2) mit gegenüber der Eingangsspannung (U_E) erniedrigtem Spannungsniveau als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben. Sobald die Eingangsspannung (U_E) unter einen zweiten Spannungsschwellwert (U_lim2) fällt, weicher auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung (U_A1) liegt, wird dem Hochsetzsteller wieder die erste Spannung (U_A1) als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben.

Description

Beschreibung Titel
Hochsetzsteller und Verfahren zu dessen Betrieb
Die Erfindung betrifft einen Hochsetzsteller sowie ein verfahren zu dessen Betrieb. Stand der Technik
Hochsetzsteller - häufig auch als Aufwärtswandler, Boost-Converter oder Step-up- Converter bezeichnet, stellen eine Sonderform eines Gleichspannungswandlers dar und dienen der Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mit einem erhöhten Spannungspotential. Aufwärtswandler sind seit langem bekannt und werden in vielfältigen Einsatzgebieten, wie zum Beispiel in einem Hybrid- oder Elektrof ahrzeug zur Umwandlung einer Niedervolt-Gleichspannung (Bordspannung) in eine Hochvolt- Gleichspannung, eingesetzt. Liegt die Eingangsspannung des Hochsetzstellers dabei nahe an der gewünschten Ausgangsspannung, so beginnt der Hochsetzsteller zu schwingen, da nicht beliebig kleine Übersetzungsverhältnisse eingestellt werden können. Um die Sicherheit und die Verfügbarkeit des Hochsetzsteller zu gewährleisten, ist es notwendig, ein derartiges Aufschwingen des Hochsetzstellers zu vermeiden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Betrieb eines Hochsetzstellers bereit, bei dem dem Hochsetzsteller eine von einer Eingangsspannung des Hochsetzstellers unabhängige erste Spannung mit einem gegenüber der Eingangsspannung erhöhtem Spannungsniveau als Soll-Ausgangsspannung vorgegeben wird, solange die
Eingangsspannung unterhalb eines ersten Spannungsschwellwertes liegt, welcher auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung liegt. Sobald die
Eingangsspannung den ersten Spannungsschwellwert übersteigt, wird dem
Hochsetzsteller eine von der Eingangsspannung des Hochsetzstellers abhängige zweite Spannung mit gegenüber der Eingangsspannung erniedrigtem Spannungsniveau als Soll- Ausgangsspannung vorgegeben. Sobald die Eingangsspannung unter einen zweiten Spannungsschwellwert fällt, weicher auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung liegt, wird dem Hochsetzsteller wieder die erste Spannung als Soll- Ausgangsspannung vorgegeben.
Des Weiteren stellt die vorliegende Erfindung einen Hochsetzsteller zur Umwandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mit erhöhtem Spannungsniveau bereit, welcher mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
Vorteile der Erfindung Erfindungsgemäß wird ein erster Spannungsschwellwert für die Eingangsspannung des Hochsetzstellers festgelegt, welcher mit ausreichendem Abstand unterhalb der ersten Spannung, welche eine herkömmliche Soll-Ausgangsspannung eines Hochsetzstellers darstellt, liegt. Auf diese Weise wird ein erster Betriebsbereich definiert, in welchem ein Aufschwingen des Hochsetzstellers sicher vermieden wird. Bei Erreichen des ersten Spannungsschwellwertes wird eine zweite Spannung als Soll-Ausgangsspannung vorgegeben, welche, vorzugsweise um einen vorgebbaren Betrag, unterhalb der Eingangsspannung des Hochsetzstellers liegt. Dadurch wird ein zweiter Betriebsbereich des Hochsetzstellers geschaffen, in welchem der Hochsetzsteller faktisch deaktiviert ist, so dass auch in diesem Betriebsbereich ein Aufschwingen des Hochsetzstellers sicher vermieden wird. Der erste Spannungsschwellwert wird dabei sinnvoll derart festgelegt, dass einerseits keine Gefahr eines Aufschwingens des Hochsetzstellers besteht, andererseits die neue, knapp unterhalb der Eingangsspannung liegende Soll- Ausgangsspannung aber ausreicht, um nachfolgende Schaltungskomponenten sicher betreiben zu können. Fällt die Eingangsspannung wieder unter einen zweiten
Spannungsschwellwert, welcher ebenfalls unterhalb der ersten Spannung liegt, so wird dem Hochsetzsteller wieder die erste Spannung als Soll-Ausgangsspannung vorgegeben und somit wieder in den ersten Betriebsbereich zurückgekehrt. Der zweite
Spannungsschwellwert wird dabei sinnvoll derart festgelegt, dass einerseits nach dem Umschalten auf die erste Soll-Ausgangsspannung mit Sicherheit keine Gefahr eines Aufschwingens des Hochsetzstellers mehr besteht, andererseits aber die vor dem Erreichen des zweiten Schwellwertes noch vorgegebene, knapp unterhalb der
Eingangsspannung liegende zweite Soll-Ausgangsspannung ausreicht, um nachfolgende Schaltungskomponenten sicher betreiben zu können. Da die in dem ersten Betriebsbereich des Hochsetzstellers als Soll-Ausgangsspannung vorgegebene erste Spannung während des Betriebs variieren kann, ist es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Spannungsschwellwerte in Abhängigkeit von der ersten Spannung festzulegen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass einerseits so spät wie möglich auf die zweite Spannung als Soll-Ausgangsspannung gewechselt wird und andererseits so früh wie möglich wieder zur ersten Spannung als Soll-Ausgangsspannung zurückgekehrt wird.
Um ein ständiges Hin- und Herschalten der Soll-Ausgangsspannung zwischen der ersten und der zweiten Spannung zu vermeiden, ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der zweite Spannungsschwellwert auf einem niedrigeren Spannungsniveau als der erste Spannungsschwellwert liegt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Spannungen an einem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller gemäß eines ersten
Anwendungsfalles und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Spannungen an einem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller gemäß eines zweiten Anwendungsfalles.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Eingangsspannung U_E und der Soll- Ausgangsspannung U_A_SOLL eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen nicht weiter dargestellten Hochsetzstellers. In einem ersten Zeitbereich von TO bis T1 steigt die Eingangsspannung kontinuierlich an, liegt aber stets unterhalb eines ersten Spannungsschwellwertes U_lim1 , welcher unterhalb einer ersten Spannung U_A1 festgelegt ist. In diesem Zeitbereich (T0-T1 ) wird dem Hochsetzsteller die von der Eingangsspannung unabhängige erste Spannung U_A1 als Soll-Ausgangsspannung U_A_SOLL vorgegeben. Die erste Spannung U_A1 definiert dabei ein gegenüber der Eingangsspannung U_E erhöhtes Spannungsniveau, welches für die sichere
Funktionsfähigkeit nachfolgender Schaltungskomponenten erforderlich ist. Die erste Spannung U_A1 ist in Fig. 1 als Konstantspannung dargestellt, kann aber auch zeitlich variabel sein. Zumindest in diesem Fall ist es sinnvoll, den ersten Spannungsschwellwert U_lim1 in Abhängigkeit von der ersten Spannung U_A1 festzulegen, um ein
Aufschwingen des Hochsetzstellers stets sicher zu vermeiden.
Zum Zeitpunkt T1 übersteigt die Eingangsspannung U_E den ersten
Spannungsschwellwert U_lim1 , woraufhin dem Hochsetzsteller eine zweite Spannung U_A2 als neue Soll-Ausgangsspannung vorgegeben wird. Die zweite Spannung U_A2 wird abhängig von der Eingangsspannung U_E des Hochsetzstellers vorgegeben und liegt vorzugsweise um einen vorgebbaren Betrag unterhalb der Eingangsspannung U_E. Die Soll-Ausgangsspannung U_A_SOLL folgt insofern der Eingangsspannung U_E auf einem gegenüber der Eingangsspannung U_E erniedrigtem Spannungsniveau. Faktisch bedeutet diese Festlegung einer Soll-Ausgangsspannung U_A_SOLL unterhalb der
Eingangsspannung U_E des Hochsetzstellers eine Deaktivierung des Hochsetzstellers. Auf diese Weise wird ein Aufschwingen des Hochsetzstellers auch in diesem zweiten Betriebsbereich sicher vermieden. Zu einem Zeitpunkt T2 unterschreitet die
Eingangsspannung einen zweiten Spannungsschwellwert U_lim2, welcher ebenfalls auf einem niedrigeren Spannungsniveau als die erste Spannung U_A1 und auch auf einem niedrigeren Spannungsniveau als der erste Spannungsschwellwert U_lim1 liegt. Zu diesem Zeitpunkt wird dem Hochsetzsteller wieder die ursprüngliche Soll- Ausgangsspannung in Form der ersten Spannung U_A vorgegeben. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Aufschwingen des Hochsetzstellers unabhängig von der Eingangsspannung sicher vermieden, ohne jedoch den Betrieb nachfolgender Schaltungskomponenten zu beeinträchtigen.
Neben dem Betrieb als Hochsetzsteller können Gleichspannungswandler auch als Tiefsetzsteller - häufig auch als Abwärtswandler, Step-Down-Converter oder Buck-
Converter bezeichnet - ausgestaltet sein. Derartige Tiefsetzsteller werden zum Beispiel in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zur Umwandlung einer Hochvolt-Gleichspannung in eine Niedervolt-Gleichspannung (Bordspannung) eingesetzt. Bestimmte Kombinationen von vorhandener Hochspannung und vorgegebener Niederspannung können jedoch aufgrund der Architektur eines Gleichspannungswandlers problematisch sein, da der feste Aufbau aus Voll- und Halbbrücken sowie das Wicklungsverhältnis eines Transformators nicht für jeden denkbaren Arbeitspunkt geeignet sein kann. In einem derartigen Fall wird eine dritte, außerhalb des Gleichspannungswandlers nicht sichtbare Spannung in Form einer Zwischenkreisspannung eingeführt, welche oberhalb der Hochspannung liegt und derart gewählt wird, dass sich für die jeweils vorhandene Kombination von Voll-, Halbbrücke und Transformator und der vorgegebenen Niederspannung ein idealer Arbeitspunkt ergibt.
Um die vorhandene Hochspannung auf die auf einem höheren Spannungsniveau liegende Zwischenkreisspannung anzuheben, wird wiederum ein Hochsetzsteller eingesetzt. Insofern wird der gewünschte Tiefsetzsteller durch einnen kombinierten Hoch- Tiefsetzsteller realisiert, wobei dem "echten" Tiefsetzsteller ein Hochsetzsteller vorgeschaltet wird, welcher die Eingangsspannung zunächst auf ein noch höheres Spannungsniveau anhebt, bevor der "echte'Tiefsetzsteller es nachfolgend auf das gewünschte niedrige Spannungsniveau absenkt. Wird dabei die Differenz zwischen Hoch- und Zwischenkreisspannung und infolgedessen der Abstand von Ein- und
Ausgangsspannung des Hochsetzstellers zu klein, so beginnt der Hochsetzsteller zu schwingen, da nicht beliebig kleine Übersetzungsverhältnisse eingestellt werden können. Insofern ergibt sich dieselbe Problematik wie bei dem Anwendungsfall gemäß Fig. 1.
Figur 2 zeigt, analog zu Fig. 1 , schematisch die zeitlichen Verläufe der Eingangsspannung U_HV (Hochspannung), der Ausgangsspannung U_NV (Niederspannung) sowie der als Soll-Ausgangsspannung des Hochsetzstellers dienenenden Zwischenkreisspannung U_ZK des kombinierten Hoch-Tiefsetzstellers bei Betrieb des Hochsetzstellers mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die zu Fig. 1 gemachten Aussagen gelten analog.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betrieb eines Hochsetzstellers bei dem
- dem Hochsetzsteller eine von einer Eingangsspannung (U_E) des Hochsetzstellers unabhängige erste Spannung (U_A1 ) mit gegenüber der Eingangsspannung (U_E) erhöhtem Spannungsniveau als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben wird, solange die Eingangsspannung (U_E) unterhalb eines ersten
Spannungsschwellwertes (U_lim1 ) liegt, welcher auf einem niedrigeren
Spannungsniveau als die erste Spannung (U_A1 ) liegt,
- dem Hochsetzsteller eine von der Eingangsspannung (U_E) des Hochsetzstellers abhängige zweite Spannung (U_A2) mit gegenüber der Eingangsspannung (U_E) erniedrigtem Spannungsniveau als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben wird, sobald die Eingangsspannung (U_E) den ersten Spannungsschellwert (U_lim1 ) übersteigt, und
- dem Hochsetzsteller wieder die erste Spannung (U_A1 ) als Soll-Ausgangsspannung (U_A_SOLL) vorgegeben wird, sobald die Eingangsspannung (U_E) unter einen zweiten Spannungsschwellwert (U_lim2) fällt, weicher auf einem niedrigeren
Spannungsniveau als die erste Spannung (U_A1 ) liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Spannungsschwellwerte (U_lim1 , U_lim2) in Abhängigkeit von der ersten Spannung (U_A1 ) festgelegt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der zweite
Spannungsschwellwert (U_lim2) auf einem niedrigeren Spannungsniveau als der erste Spannungsschwellwert (U_lim1 ) liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Spannung (U_A2) derart festgelegt wird, dass sie um einen vorgebbaren Betrag unterhalb der
Eingangsspannung (U_E) liegt.
5. Hochsetzsteller zur Umwandlung einer Eingangsspannung (U_E; U_HV) in eine Ausgangsspannung (U_A; U_ZK) mit erhöhtem Spannungsniveau, welcher mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 betrieben wird.
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