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技術 スイッチング電源におけるデッドタイム制御の方法及び装置

出願人 コンティテミックマイクロエレクトロニックゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
発明者 ディエゴアントンジロラミゲーランシューベアト
出願日 2015年6月10日 (4年6ヶ月経過) 出願番号 2017-510350
公開日 2017年9月7日 (2年3ヶ月経過) 公開番号 2017-526329
状態 特許登録済
技術分野 DC‐DCコンバータ
主要キーワード 許容係数 制御コスト 開フェーズ 電気消費装置 電圧経過 任意回数 スイッチング構造 ステップダウンコンバータ
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図面 (9)

課題・解決手段

本発明は、スイッチング電源(1)のスイッチングレギュレータ(1.5)において、第1スイッチング素子(1.5.1)の開の開始と、この第1スイッチング素子(1.5.1)に直列接続された第2スイッチング素子(1.5.2)の閉の開始との間のデッドタイム(t_tot)を調整する方法に関しており、この方法は、・第2スイッチング素子(1.5.2)を介して測定電圧(U_aus)を測定し、・デッドタイム(t_tot)を変化させて、測定した測定電圧(U_aus)と、測定電圧の目標値(U_soll)との制御偏差が、最小化されるか又は制限されるようにし、・このようにして求めたデッドタイム(t_tot)によって第1及び第2スイッチング素子(1.5.1、1.5.2)を駆動制御する。本発明はさらに、このような方法を実行する装置に関しており、この装置には測定ユニット(2)と、処理ユニット(3)と、制御ユニット(4)とが含まれている。

概要

背景

概要

本発明は、スイッチング電源(1)のスイッチングレギュレータ(1.5)において、第1スイッチング素子(1.5.1)の開の開始と、この第1スイッチング素子(1.5.1)に直列接続された第2スイッチング素子(1.5.2)の閉の開始との間のデッドタイム(t_tot)を調整する方法に関しており、この方法は、・第2スイッチング素子(1.5.2)を介して測定電圧(U_aus)を測定し、・デッドタイム(t_tot)を変化させて、測定した測定電圧(U_aus)と、測定電圧の目標値(U_soll)との制御偏差が、最小化されるか又は制限されるようにし、・このようにして求めたデッドタイム(t_tot)によって第1及び第2スイッチング素子(1.5.1、1.5.2)を駆動制御する。本発明はさらに、このような方法を実行する装置に関しており、この装置には測定ユニット(2)と、処理ユニット(3)と、制御ユニット(4)とが含まれている。

目的

本発明の課題は、スイッチング電源において、アクティブフリーホイーリング機能を備えたスイッチングレギュレータのデッドタイムを求めかつ/又は適合させる方法を提供し、この方法により、過電圧及び/又は破壊を回避することである

効果

実績

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牽制数
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請求項1

スイッチング電源(1)のスイッチングレギュレータ(1.5)において、第1スイッチング素子(1.5.1)の開の開始と、当該第1スイッチング素子(1.5.1)に直列接続された第2スイッチング素子(1.5.2)の閉の開始との間のデッドタイム(t_tot)を調整する方法において、・前記第2スイッチング素子(1.5.2)を介して測定電圧(U_aus)を測定し、・前記測定した測定電圧(U_aus)と、当該測定電圧の目標値(U_soll)との制御偏差が最小化される又は制限されるように、前記デッドタイム(t_tot)を変化させ、・このようにして求めた前記デッドタイム(t_tot)を用いて前記第1及び第2スイッチング素子(1.5.1、1.5.2)を駆動制御する、ことを特徴とする方法。

請求項2

・前記デッドタイム(t_tot)を初期化することと、測定可能な最大過電圧値以上の過電圧開始値によって前記測定電圧(U_aus)の第1過電圧値を初期化することと、前記デッドタイム(t_tot)を調整するための補正方向を初期化することとを含む第1ステップ(S1)、・前記デッドタイム(t_tot)内の測定時間窓(t_mess)において前記測定電圧(U_aus)の第2過電圧値を測定することを含む第2ステップ(S2)、・前記第2過電圧値が前記第1過電圧値よりも大きい場合に前記補正方向を反転することを含む第3ステップ(S3)、・前記デッドタイム(t_tot)を前記補正方向にデッドタイム変化分だけ変化させることを含む第4ステップ(S4)、及び・前記第1過電圧値を前記第2過電圧値によって上書きすることを含む第5ステップ(S5)を有しており、前記第2〜第5ステップ(S2〜S5)の流れを少なくとも1回繰り返す、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記第2ステップ(S2)に置き換わる修正第2ステップ(S2’)において、完全な1スイッチングサイクルに渡っての、前記測定電圧(U_aus)の最大値として前記第2過電圧値が測定され、さらに、前記第2過電圧値が過電圧制限値以下の場合、前記第3ステップ(S3)及び前記第4ステップ(S4)を省略する、請求項2に記載の方法。

請求項4

少なくとも1である許容係数乗算することにより、前記測定電圧(U_aus)に対する前記目標値(U_soll)から前記過電圧制限値を求める、請求項3に記載の方法。

請求項5

前記第1過電圧値と前記第2過電圧値との間の差分に、デッドタイム変化ステップ幅を乗算することにより前記デッドタイム変化を求める、請求項2から4までのいずれか1項に記載の方法。

請求項6

前記デッドタイム変化を、・少なくとも1である増幅係数、・前記第2過電圧値と、前記測定電圧(U_aus)の前記目標値(U_soll)との間の差分に、少なくとも1である冪乗指数によって冪乗したもの、及び・デッドタイム変化ステップ幅からなる積として形成する、請求項2から4までのいずれか1項に記載の方法。

請求項7

前記増幅係数を1〜10の範囲で選択し、前記冪乗指数を1〜5の範囲で選択する、請求項6に記載の方法。

請求項8

前記第2過電圧値が前記過電圧制限値以下である場合、かつ、前記方法の先行して行われた実行において前記第2過電圧値が前記過電圧制限値より大きかった場合に、修正第4ステップ(S4’)を実行し、当該修正第4ステップ(S4’)において、少なくとも1であるあらかじめ定めたステップ数によって乗算したデッドタイム変化ステップ幅分だけ前記補正方向に前記デッドタイム(t_tot)を変化させる、請求項3から7までのいずれか1項に記載の方法。

請求項9

前記ステップ数を1〜10の範囲で選択する、請求項8に記載の方法。

請求項10

請求項1から9までのいずれか1項に記載の方法にしたがって前記デッドタイム(t_tot)を調整する装置において、前記スイッチング電源(1)の前記測定電圧(U_aus)を測定する測定ユニット(2)と、当該測定ユニット(2)に接続可能でありかつデッドタイム値(t_tot)を計算する処理ユニット(3)と、当該処理ユニット(3)に接続され、かつ前記スイッチング電源(1)の前記スイッチングレギュレータ(1.5)の前記第1及び第2スイッチング素子(1.5.1、1.5.2)を駆動制御する制御ユニット(4)とを有する、ことを特徴とする装置。

請求項11

前記第1及び第2スイッチング素子(1.5.1、1.5.2)は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタとして構成されており、前記制御ユニット(4)は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタを駆動制御するために構成されている、請求項10に記載の装置。

技術分野

0001

本発明は、アクティブフリーホイーリング機能を備えたスイッチング電源において、第1スイッチング素子の開と、第2スイッチング素子の閉との間のデッドタイムを求める、かつ/又は適合させる、特に閉ループ制御及び/又は開ループ制御する方法及び装置に関する。

0002

直流入力電圧給電電圧に変換するスイッチング電源は、アクティブなフリーホイーリング機能を伴って構成されることが多く、ここでは、第1スイッチング素子が第2スイッチング素子に直列接続されており、第2スイッチング素子が、アクティブなフリーホイーリング機能を担う。スイッチングレギュレータには、直流入力電圧が供給される。ここではキャパシタに直列接続されたインダクタが、第2スイッチング素子に対して並列に接続されている。第2スイッチング素子を介して出力電圧又は測定電圧が取り出される。キャパシタの両端で、消費装置負荷)に給電するための給電電圧が取り出される。第1及び第2スイッチング素子は周期的に開閉され、つねにこれらのスイッチング素子のうちの少なくとも1つが開かれている。第1スイッチング素子の閉持続時間とこれに続く開持続時間とからなる全体持続時間に対する、第1スイッチング素子の閉持続時間の比は、デューティ比と称される。このデューティ比を介して、所定の直流入力電圧から、キャパシタに並列接続された所定の電気消費装置(負荷)に所望の給電電圧を設定することができる。アクティブなフリーホイーリング機能を備えたスイッチング電源のこの基本形のさまざまな形態は、当業者には、例えばステップダウンコンバータないしはバックコンバータとして公知である。

0003

第1スイッチング素子の開と、第2スイッチング素子の閉との間の期間、したがって2つのスイッチング素子が開いている間の期間は、デッドタイムと称される。スイッチング素子は、トランジスタ、例えば金属酸化物半導体電界効果トランジスタMOSFET:metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)として構成されてよい。このようなMOSFETは、原理的に制約されて、急峻なすなわち無限小の短いスイッチング過程を実行することはできず、開閉には、製造技術及び幾何学形状に依存する、10分の数ナノ秒から数ナノ秒までの所定の持続時間が必要である。さらにMOSFETは、技術的に制約されて、ドレイン端子ソース端子との間に寄生ダイオードを有する。第2スイッチング素子のこのような寄生ダイオードは、両端で給電電圧が取り出される、インダクタとキャパシタとからなる直列回路に並列に作用する。

0004

製造に制約され、2つの構成素子間のワイヤ状の又は少なくとも長く延在する複数の金属接続部に起因して、上記のようなスイッチングレギュレータは、寄生インダクタンスを有する。第2スイッチング素子の寄生ダイオードのリカバリ特性に起因して、この寄生インダクタンスは、スイッチング素子のスイッチング速度と、直流入力電圧と、キャパシタに並列な電気消費装置とに依存して、複数のスイッチング過程間のデッドタイムが長すぎる場合に共振現象に結び付くことがあり、これにより、出力電圧又は測定電圧に、ひいては給電電圧にも複数の電圧ピーク重畳される。これらの電圧ピークは、一時的な過電圧と観察することができる。この一時的な過電圧及びこれに必然的に伴う一時的な電流増加は、不所望に大きな電気的な放出に結び付く。

0005

さらに、短すぎるデッドタイムは、第1スイッチング素子の遮断フェーズと、第2スイッチング素子の導通フェーズとが重なり合うことに結び付き得る。このような重なり合いはまず、スイッチングレギュレータの測定出力部における過電圧を同様に生じさせる。デッドタイムをさらに短くすると、2つのスイッチング素子を通る大きな短絡電流が生じる可能性があり、この短絡電流は、スイッチング素子の破壊に結び付き得る。

0006

本発明の課題は、スイッチング電源において、アクティブなフリーホイーリング機能を備えたスイッチングレギュレータのデッドタイムを求めかつ/又は適合させる方法を提供し、この方法により、過電圧及び/又は破壊を回避することである。本発明はさらに、この方法を実行する装置を提示することを課題とする。

0007

方法についての上記課題は、本発明により、請求項1の特徴的構成によって解決される。装置についての上記課題は、本発明により、請求項10の特徴的構成によって解決される。

0008

本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

0009

スイッチング電源のアクティブなフリーホイーリング機能を備えたスイッチングレギュレータにおいて、第1スイッチング素子の開の開始と、直列に接続されている第2スイッチング素子の閉の開始との間のデッドタイムを求めかつ/又は適合させる本発明の方法では、第2スイッチング素子を介して、このスイッチング電源の測定電圧を求め、求めたこの測定電圧に基づいてデッドタイムを変化させて、求めた測定電圧と、目標値との偏差を最小化するか又は制限する。スイッチング電源のアクティブなフリーホイーリング機能を備えたスイッチングレギュレータの第1及び第2スイッチング素子を駆動制御し、これによって第1スイッチング素子が開じられた後、第2スイッチング素子が、求めたデッドタイム分だけ遅延されて閉じられるようにする。

0010

本発明による方法は、デッドタイムの閉ループ制御又は開ループ制御の形態で実行することができ、ここでこれは、1つのループにおいてデッドタイムを複数回に求めて適合させることによって行われる。

0011

本発明による方法の一実施形態において、この方法は、
・ 第1ステップにおいて、デッドタイム初期化、最大限測定可能な過電圧以上の過電圧開始値による、測定電圧の第1過電圧値の初期化、及び、デッドタイムを変化させるための正の補正方向の初期化を行うことと、
・ 第2ステップにおいて、デッドタイムに調整した測定時間窓内で第2過電圧値を測定することと、
・ 第3ステップにおいて、第2過電圧値が第1過電圧値よりも大きい場合に補正方向を反転することと、
・ 第4ステップにおいて、デッドタイム値を補正方向にデッドタイム変化分だけ変化させることと、
・ 第5ステップにおいて、第1過電圧値を第2過電圧値によって上書きすることとを含んでいる。

0012

オプションでは、第2〜第5の一連のステップを繰り返すことによってこの方法を続行することが可能である。補正方向が負のとき、デッドタイム値は、デッドタイム変化分だけ減少され、補正方向が正のとき、デッドタイム値は、デッドタイム変化分だけ増幅される。このデッドタイム変化は、固定のデッドタイム変化ステップ幅によってあらかじめ設定することができる。

0013

第1ステップでは、デッドタイムを初期値に設定し、ここでこの初期値は少なくとも、第1及び第2スイッチング素子の開と閉とが重なり合うことによる短絡電流が回避されるような大きさに選択される。ここではデッドタイム値を、標準デッドタイム値に初期化することが可能であり、この標準デッドタイム値について既知であるのは、これが、スイッチングレギュレータに接続される一般的な消費装置において、測定電圧のオーバシュートをまったく又はわずかだけしか生じさせない、ひいては給電電圧のオーバシュートもまったく又はわずかだけしか生じさせないことである。

0014

第1ステップではさらに、補正方向を正の補正方向として初期化して、過電圧が発生した際には、デッドタイム変化ステップ幅分だけデッドタイム値が増幅されるようにする。

0015

第1過電圧値は、過電圧開始値によって初期化される。このような過電圧開始値は、例えば、最大限に表し得る過電圧値として、又は最大限に記憶可能な過電圧値として設定可能である。

0016

第2ステップでは、最新デッドタイム設定を用いて測定した測定電圧が、デッドタイムに調整した測定時間窓内で第2過電圧値として求められる。

0017

このために、当業者にはサンプリングホール素子又は瞬時値サンプリング部として公知の回路を使用することができ、ここでこの回路は、スイッチング素子の駆動制御信号から導出されるトリガ信号によって動作させることが可能である。これにより、例えば、近似的にデッドタイムの中央に位置する時点に測定電圧を測定することができる。

0018

しかしながらあらかじめ設定した期間中における、例えば、第1スイッチング素子の開と共に又はその直後にはじまる時間区間における、スイッチングレギュレータの測定出力部の電圧経過最大値を第2過電圧値として求めることも可能である。

0019

第3ステップでは第2過電圧値と第1過電圧値とが比較される。第2過電圧値が第1過電圧値を下回る場合、補正方向はそのままである。その他の場合、補正方向は反転される。

0020

第4ステップではデッドタイムが、補正方向に対応し、あらかじめ設定したデッドタイム変化ステップ幅分だけ補正される。つまり補正方向が正のときには増幅され、補正方向が負のときには減少される。

0021

第5ステップでは、第2の、すなわち最後に測定した過電圧値が、第1過電圧値に代入され、これによって第2〜第5ステップの後続の実行において、さらに測定すべき後続の過電圧値との比較に利用される。

0022

第3ステップを最初に実行する場合、第2ステップにおいて測定される第2過電圧値が、第1ステップにおいて最大の過電圧開始値によって初期化された第1過電圧値を上回ることはない。これにより、第3ステップの最初の実行に対して保証されるのは、初期化される正の補正方向が維持されることである。

0023

これに対して第3ステップの後続の実行については、先行して行われた実行の補正方向がそのままになるのはまさに、この補正方向によって過電圧が低減され、したがってスイッチングレギュレータの特性の改善が行われた場合である。他のすべての場合において補正方向は変更される。

0024

有利にはこの方法により、少なくとも局所的に最適なデッドタイム値の周りを行き来するデッドタイム値が求められ、ここでこの最適デッドタイム値は、測定電圧の少なくとも局所的に最小な過電圧値によって特徴付けられる。言い換えると、全体にわたって行き来きが行われるデッドタイム値区間の外ではあるがそのすぐ近くにある複数のデッドタイム値は、測定電圧の比較的大きな複数の過電圧値を生じさせる。これにより、不利な過電圧は、上記方法によって最小化される。

0025

実践的な目的に対し、近似的に仮定することができるのは、結果的に短絡電流になる短すぎるデッドタイムによって生じる大きな過電圧値と、結果的にオーバシュートになる長すぎるデッドタイムによって生じる大きな過電圧値との間にはデッドタイム値があることであり、ここでこのデッドタイム値は結果的に、第1及び第2スイッチング素子の切り換え中の最適な測定電圧、すなわち測定電圧の目標値に比べてまったく又は最小限にしか増幅していない測定電圧になる。

0026

実践的に特に重要なこの近似に対し、本発明の方法により、最小の過電圧値に結び付く最適デッドタイムの周りのすぐ近くを行き来する複数のデッドタイム値に誘導される。

0027

このことは、スイッチング電源によって給電される消費装置によって取り込まれる負荷電流が変化する際、又は、インピーダンス、特にこのような消費装置の容量性インピーダンス成分が変化する際には特に有利である。一般的にこれらのような変化には、過電圧を最小化するため、可変の最適デッドタイム値が必要である。本発明による方法を用いれば、このような可変の最適デッドタイムを少なくとも近似的に求めることができる。

0028

本発明の別の実施形態によれば、第2ステップを置き換え修正第2ステップにおいて、スイッチングレギュレータの完全な一スイッチングサイクルにわたる、測定電圧の最大値として第2過電圧値を求める。ここでこのようなスイッチングサイクルは、第1スイッチング素子の第1の閉の開始と、第1スイッチング素子の後続の第2の閉の開始との間の時間によって決定される。本発明のこの実施形態では、第2過電圧値が、あらかじめ設定した過電圧制限値以下になる場合、この方法の第3及び第4ステップが省略される。

0029

確かに本発明のこの実施形態では、少なくとも局所的に最適なデッドタイム値を少なくとも近似的に見つけ出すことをもはや保証することはできないが、前に求めた過電圧制限値を大きく上回らないのであれば、多くの実践的な目的に対して十分である。このような応用目的に対し、この実施形態は、簡略化された方法になり有利である。なぜならば、この実施形態では、最新のデッドタイム値向けのあらかじめ設定される測定時間窓に、過電圧経過の測定を制限しなくてもよいからである。これにより、過電圧値を測定する比較的簡単な装置を使用することができて有利である。

0030

本発明の別の実施形態では、測定電圧のあらかじめ設定した目標値に依存して過電圧制限値が求められる。多くの重要な適用事例において、複数の電気消費装置に複数の給電電圧を供給することができ、ここでこれらの給電電圧は、1つの給電電圧の目標値の周りの所定の幅の狭い領域内にある。例えば、給電電圧の目標値のプラスマイナス10%の変動は、これらの電気消費装置によって許容され得る。したがってこのようなケースでは、スイッチング電源の測定出力部における過電圧を最小値に制限する必要はなく、許容される狭い領域を複数の給電電圧が越えることを回避するだけでよい。したがって例えば、複数の消費装置により、目標値の周りの10パーセントの、給電電圧の変動が許容されることが既知である場合、測定電圧の目標値の1.05倍に対応する過電圧制限値を設定することが可能である。これにより、デッドタイムに対する制御コストを最小化にするのと同時に、消費装置のより確実な動作が可能になって有利である。

0031

本発明の別の実施形態では、第1過電圧値と第2過電圧値との間の差分から、デッドタイム変化を求める。

0032

このデッドタイム変化は、第1には、デッドタイム値を最適デッドタイム値の近傍に持って行くために必要な、第2〜第5ステップの実行の回数に影響を及ぼす。したがってデッドタイム値の高速な適合化のためには、大きなデッドタイム変化が有利である。

0033

第2には、デッドタイム変化は、複数の定常的な条件下でこの方法によって求めたデッドタイム値がこのような最適デッドタイム値の周りを行き来する区間の幅に影響を及ぼす。したがってこの最適値にデッドタイム値を正確に適合させるためには、小さなデッドタイム変化が有利である。

0034

例えば、第1過電圧と第2過電圧との間の差分と、あらかじめ設定した正の係数との積から上記デッドタイム変化を求めることができる。探索した最適デッドタイム値から遠く離れると、デッドタイム値の変化は、形成される過電圧値の大きな変化に結び付き、ひいては大きなデッドタイム変化に、ひいては探索した最適デッドタイム値への急速な接近に結び付く。これに対して探索した最適デッドタイム値の近傍では、デッドタイム値の変化は、形成される過電圧値のわずかな変化だけに結び付き、ひいてはわずかなデッドタイム変化に、ひいては探索した最適デッドタイム値へのデッドタイム値の正確な適合化に結び付く。

0035

したがって本発明のこの実施形態では、高い適合化速度と、この最適デッドタイム値への接近の高い精度とが組み合わされて有利である。

0036

さらにデッドタイム変化は、デッドタイム変化ステップ幅と、少なくとも1である増幅係数と、測定電圧の制御偏差とからなる積として形成することが可能であり、この制御偏差は、測定した第2過電圧値と、あらかじめ設定した測定電圧の目標値との差分から形成される。ここでは、少なくとも1である冪乗指数によってこの制御偏差を冪乗することも可能である。これにより、比較的大きな制御偏差の場合、比較的大きなデッドタイム変化も求められるようになり、これに対して比較的小さい制御偏差の場合にはデッドタイムは比較的わずかにしか変化しないようになり有利である。

0037

消費装置によって取り込まれる負荷電流が時間的に変化することがあり得る。負荷電流のこのような変化は一般的に、測定電圧の制御偏差を生じさせる。この制御偏差を制限するためには、不所望の過電圧を回避するか又は制限するため、デッドタイムを適合化する必要がある。増幅係数及び/又は冪乗指数を小さく選択し過ぎると、制御偏差は、十分な速度で補償できなくなる。増幅係数及び/又は冪乗指数を大きく選択し過ぎると、デッドタイムの大きすぎる変化により、測定電圧の過制御が起こり得る。測定電圧の過制御は、消費装置の高い容量式インピーダンス成分によっても助長され、この容量式インピーダンスは、デッドタイムの変化に対して、測定電圧の変化の時間的なずれを生じさせる。

0038

したがって上記方法のここで説明している実施形態では、接続されている消費装置の一般的なスイッチング特性に、特に取り込まれる負荷電流の変化の一般的な速度及び一般的に振幅に、ならびに、接続されている消費装置の容量式インピーダンス成分に増幅係数及び冪乗指数が適合されて有利である。この適合化は、所定の消費装置に対して、取り込まれる負荷電流の一般的な変化において、測定電圧の過制御が、ひいては給電電圧の過制御がまだ発生しない増幅係数及び冪乗指数が求められるように行われる。

0039

本発明の別の実施形態では第2ステップにおいて、スイッチングレギュレータの完全な一スイッチングサイクルにわたる、測定電圧の最大値として第2過電圧値が求められ、ここでこのようなスイッチングサイクルは、第1スイッチング素子の第1の閉の開始と、第1スイッチング素子の後続の第2の閉の開始との間の時間によって決定される。

0040

本発明のこの実施形態では、第2過電圧値が、あらかじめ設定した過電圧制限値よりも大きい場合、この方法の第3及び第4ステップが実行される。

0041

この方法の後続の実行において、第2過電圧値が、あらかじめ設定した過電圧制限値以下である場合、第3及び第4ステップの代わりに修正第4ステップが実行される。

0042

この修正第4ステップでは、あらかじめ設定したステップ数によって定められる、デッドタイム変化ステップ幅の倍数分だけ、補正方向にデッドタイムを変化させる。言い換えると、デッドタイムの変化が、過電圧制限値の所望の下回りに結び付く場合、この方法の以降の実行において、あらかじめ設定した、デッドタイム変化ステップ幅の倍数分だけ再度同じ補正方向でデッドタイムを変化させる。ここでこのデッドタイム変化ステップ幅の倍数は、デッドタイム変化ステップ幅と、ステップ数との積として得られる。

0043

この実施形態では、この方法のこれに続くすべての実行において、第2過電圧値が、あらかじめ設定した過電圧制限値以下の場合、第3及び第4ステップが省略される。言い換えると、過電圧制限値を上回ったことが新たに確認されるまでデッドタイムは変わらないままである。

0044

本発明のこの実施形態では、ステップ数を選択することによってこのデッドタイム変化が、給電される消費装置の一般的なスイッチング特性に適合される場合、前に実行した成功したデッドタイム変化の方向にデッドタイムを再度変化させることにより、制御偏差のさらなる低減が行われて有利である。この適合化は、ステップ数を選択することによって増幅係数及び冪乗指数の適合化と同じように行うことができ、ここでは、取り込まれる負荷電流の一般的な変化の際には引き続いて測定電圧の過制御が生じないようにする。

0045

本発明による方法にしたがってデッドタイムを求めて適合化する、特に閉ループ制御又は開ループ制御する本発明の装置は、スイッチング電源の測定電圧を測定する測定ユニットと、デッドタイムを計算する処理ユニットと、スイッチング電源のスイッチングレギュレータの第1及び第2スイッチング素子を駆動制御する制御ユニットとを有する。

0046

上記測定ユニットは、処理ユニットに接続されており、かつ、第2スイッチング素子の両端の測定電圧を測定する。処理ユニットは、この測定電圧から、本発明による方法にしたがい、デッドタイム値の必要な変化を求める。

0047

上記処理ユニットは、制御ユニットに接続されており、かつ、接続を介して制御信号を制御ユニットに伝送できるように構成されており、ここではこの制御信号から、デッドタイムの必要な変化を導出することができる。

0048

上記制御ユニットは、第1及び第2スイッチング素子に接続されている。制御ユニットは、第1及び第2スイッチング素子の切り換えに対する切換時点を設定して、第1スイッチング素子の開と、第2スイッチング素子の閉との間のデッドタイムが得られるようにし、ここでこのデッドタイムは、本発明による装置により、スイッチング電源の測定出力部における過電圧が最小化されるか又は少なくとも制限されて有利である。

0049

本発明による装置の別の実施形態において、制御ユニットは、MOSFETを駆動制御するために構成されている。本発明のこの実施形態において、制御ユニットは、電気接続を介して、MOSFETとして構成された複数のスイッチング素子に接続されている。これにより、スイッチング電源に特に広く使用されているスイッチングレギュレータの駆動制御が、特に容易かつコスト的に有利に可能になり、有利である。

0050

本発明の別の複数の詳細及び実施例を以下、複数の図面に基づいて詳しく説明する。

図面の簡単な説明

0051

デッドタイムの適合化、例えば制御を備えた、スイッチング電源のスイッチング構造を略示する図である。
長すぎるデッドタイムによって生じる過電圧の経過を略示する線図である。
短すぎるデッドタイムによって生じる過電圧の経過を略示する線図である。
デッドタイム制御を用いて過電圧を最小化する方法についての流れ図である。
デッドタイム制御を用いて過電圧を最小化する方法における、過電圧の経過を略示する線図である。
デッドタイム制御を用いて過電圧を最小化する方法における、過電圧の経過の詳細を略示する線図である。
デッドタイム制御を用いて過電圧を制限する方法についての流れ図である。
デッドタイム閉ループ制御及びデッドタイム開ループ制御を用いて過電圧を制限する方法についての流れ図である。

0052

互いに対応する複数の部分には、すべての図において同じ参照符号が付されている。

0053

図1には、測定ユニット2と、処理ユニット3と、制御ユニット4とを備えたスイッチング電源1の回路構造が例示的かつ概略的に示されている。スイッチング電源1の入力部は、2つの入力部コンタクト1.1、1.2によって構成されており、これらの入力部コンタクトは、直流入力電圧U_einによって給電される。スイッチング電源1の測定出力部は、2つの測定出力部コンタクト1.3、1.4によって構成されており、これらの測定出力部コンタクトの間では、測定電圧U_ausが降下する。測定電圧U_ausが、直流入力電圧U_einを下回る所望の目標値U_sollを取るようする。

0054

スイッチング電源1のアクティブなフリーホイーリング機能を備えた入力側のスイッチングレギュレータ1.5では、第1スイッチング素子1.5.1及び第2スイッチング素子1.5.2が、MOSFETとして形成されておりかつ直列接続されている。測定出力部コンタクト1.3、1.4は、第2スイッチング素子1.5.2に並列に配置されている。さらに測定出力部コンタクト1.3、1.4間には、したがって第2スイッチング素子1.5.2に並列に、インダクタLと、第1スイッチング素子1.5.1を閉じた際に直流入力電圧源U_einによって充電されるキャパシタCとが直列接続されている。キャパシタCに並列に、消費装置又は負荷抵抗X_Lに給電電圧が給電され、これを介してキャパシタCが放電される。

0055

スイッチング素子1.5.1、1.5.2は、制御ユニット4によって周期的に開閉するように駆動制御されて、第1スイッチング素子1.5.1の開と、第2スイッチング素子1.5.2の閉との間でデッドタイムt_totが経過し、このデッドタイム中、2つのスイッチング素子1.5.1、1.5.2が開かれている。

0056

第1及び第2スイッチング素子1.5.1、1.5.2を同じ半導体チップに配置することは可能である。

0057

測定ユニット2は、スイッチング電源1の測定出力部1.3、1.4に接続されており、かつ、処理ユニット3に接続されている。処理ユニット3は、制御ユニット4に接続されている。制御ユニット4は、スイッチング素子1.5.1、1.5.2の開閉を制御する。

0058

スイッチング素子1.5.1、1.5.2及びスイッチングレギュレータ1.5の接続は、オーム抵抗、寄生インダクタンス及び寄生キャパシタンスによって電気的に示されている。

0059

デッドタイムt_totが極めて長い場合、スイッチングレギュレータ1.5内の寄生インダクタンスにより、図2において時間軸tに沿って切換時点t_schaltについて示したように、測定電圧U_ausのオーバシュートが発生する。測定時間窓t_mess内では、スイッチング電源1の測定出力部1.3、1.4において、誘導により、測定電圧U_ausの振動が、ひいては過電圧U_uebによる、測定電圧の目標値U_sollの超過が発生する。測定電圧のこの目標値U_sollは、この振動が、過電圧U_uebから次第に減衰して始めて、測定電圧U_ausの定常値として現れる。

0060

スイッチング素子1.5.1、1.5.2におけるスイッチング過程は急峻には進まず、むしろ開フェーズ中の開時には電流強度は徐々に減少し、閉フェーズ中の閉時には徐々に増幅する。デッドタイムt_totが極めて短い場合、第1スイッチング素子1.5.1の開フェーズと、第2スイッチング素子1.5.2の閉フェーズとが重なり合う。これにより、図3に示したように、測定電圧は目標値U_sollを上回り、したがって過電圧U_uebが生じる。

0061

図4には、過電圧U_uebが最小化されるか少なくとも低減される、本発明による方法についての流れ図が示されている。この方法は、スタート点S0においてスタートする。

0062

これに続く第1ステップS1では、デッドタイムt_totが値t_tot_startにより、第1過電圧値U_ueblが過電圧スタート値U_ueb_startにより、補正方向dが、スタート値1によって初期化される。これを式で示すと、
t_tot:=t_tot_start
d:=1
であり、ただし演算子:=は、右辺の値を左辺変数に代入することを示す。第1ステップS1ではさらに、第1スイッチング素子1.5.1の切り換えと、第2スイッチング素子1.5.2の切り換えとの間の測定窓t_messにおいて、第1過電圧値U_ueblが、測定電圧U_ausの最大値として測定される。

0063

これに続く第2ステップS2においてこの方法は、第1スイッチング素子1.5.1と第2スイッチング素子1.5.2との間の切り換えを待機し、したがって第1スイッチング素子1.5.1がすでに開いており、第2スイッチング素子1.5.2はまだ閉じていない時点又はその間の期間を待機する。

0064

この時点又はこの期間中、測定電圧U_ausの実際値が測定され、この実際値から第2の過電圧値U_ueb2が求められる。

0065

例えば、制御ユニット4によって生成された、第1スイッチング素子1.5.1及び第2スイッチング素子1.5.2に対する複数の駆動制御信号から、特定の時点を求めることが可能である。この場合、第2過電圧値U_ueb2は、例えば、この時点における測定電圧U_ausの値として測定可能である。

0066

しかしながら、あらかじめ設定した測定時間窓t_mess中に測定電圧U_ausを測定し、この測定時間窓t_mess内に測定した、すべての測定電圧U_ausの値の最大値として第2過電圧値U_ueb2を求めることも可能である。

0067

これに続く第1判定ステップE1では、第2過電圧値U_ueb2が、第1過電圧値U_ueb1以上であるか否かがテストされる。

0068

第2過電圧値U_ueb2が、第1過電圧値U_ueb1以上である場合、肯定の流れパスJに沿いかつ第1判定ステップE1に続く第3ステップS3において、補正方向dが反転される。式で表すと
d:=−d
であり、その後、第4ステップS4が実行される。

0069

第2過電圧値U_ueb2が、第1過電圧値U_ueb1よりも小さい場合、補正方向dはそのままであり、第1判定ステップE1の直後に、否定の流れパスNに沿って第4ステップS4が実行される。

0070

第4ステップS4では、デッドタイムt_totがこの補正方向において、デッドタイム変化d_t_tot分だけ変化させられる。式で表すと、
t_tot:=t_tot+d*d_t_tot
である。

0071

これに続く第5ステップS5では、第1過電圧値U_ueblに第2過電圧値U_ueb2が代入される。式で表すと、
U_uebl:=U_ueb2
である。

0072

その後、この方法は、第2ステップS2から第5ステップS5までの流れの任意回数の繰り返しで続行される。

0073

上で説明した方法により、デッドタイムt_totが有利に設定され、このデッドタイムにより、最小の又は近似的に最小の第2過電圧値U_ueb2が得られる。直流入力電圧U_einが変化せずかつスイッチング電源1の測定出力部1.3、1.4において消費装置X_Lが変化しない固定的な状況に対し、デッドタイムt_totは最適値の周りを行き来する。ここでこの最適値は、最小の過電圧に、すなわち測定電圧U_ausの最小オーバシュートに関連しており、図5に示したように、測定電圧の目標値U_sollを上回らない。ここでも、測定電圧U_ausは徐々に目標値U_sollに適応し、整定されたこの定常状態に到達する。

0074

図6には、過電圧U_uebの経過及び測定電圧U_ausの目標値U_sollの経過が略示されており、これは、設定したデッドタイムt_totに依存して、定常状態において生じる経過である。ここで明瞭にわかるのは、過電圧U_uebが最小になる、デッドタイムの所定の最適値t_tot*が存在することである。デッドタイムのこの最適値t_tot*に対する過電圧U_uebが、目標値U_sollを下回ることもさらに明瞭にわかる。これにより、スイッチング電源1の一層確実な動作も、接続された消費装置X_Lの一層確実な動作も共に有利に得られる。

0075

図7には、過電圧U_uebが制限される、本発明による方法の一実施形態についての流れ図が示されている。この方法は、スタート点S0においてスタートする。

0076

第1ステップS1の流れは、図4に示した流れに対応する。

0077

これに続く修正第2ステップS2’では、測定電圧U_ausの最大値が、一スイッチングサイクルにわたって求められ、第2過電圧値に代入される。このようなスイッチングサイクルは、第1スイッチング素子の第1の閉の開始と、これに続く第1スイッチング素子の第2の閉の開始との間の時間によって決定される。

0078

これに続く第2判定ステップE2では、ステップS2で求めた第2過電圧値U_ueb2が、過電圧制限値U_ueb_grenz以下であるか否かがテストされる。修正第2ステップS2’で求めた第2過電圧値U_ueb2が、過電圧制限値U_ueb_grenz以下である場合、肯定の流れパスJに沿い、つぎのステップとして第5ステップS5が処理される。修正第2ステップS2’で求めた第2過電圧値U_ueb2が、過電圧制限値U_ueb_grenzよりも大きい場合、否定の流れパスに沿って、第1判定ステップE1の流れが、オプションでは第3ステップS3の流れが、また第4ステップS4の流れが、図4ですでに説明したように選択される。

0079

第1判定ステップE1では、第2過電圧値U_ueb2が、第1過電圧値U_ueb1以下であるか否かがテストされる。

0080

第1過電圧値U_ueb1が、第2過電圧値U_ueb2以下である場合、肯定の流れパスJに沿い、これに続く第3ステップS3において補正方向dが変更される。式で表すと
d:=−d
であり、その後、第4ステップS4が実行される。

0081

第1過電圧値U_ueb1が第2過電圧値U_ueb2よりも大きい場合、補正方向dはそのままであり、第1判定ステップE1の直後に、否定の流れパスNに沿って第4ステップS4が実行される。

0082

第4ステップS4では、デッドタイムt_totがこの補正方向dに、デッドタイム変化ステップ幅d_t_tot分だけ変化させられる。式で表すと、
t_tot:=t_tot+d*d_t_tot
である。

0083

本発明の一実施形態では、少なくとも1である増幅係数K、及び、第2の過電圧値U_ueb2と測定電圧の目標値U_sollとの間の制御偏差を正の冪乗指数で冪乗したものを乗算することにより、上記デッドタイム変化ステップ幅d_t_totを付加的に求めることができる。式で表すと、
t_tot:=t_tot+d*K*(U_ueb2−U_soll)x
であり、ただしyxは、yをx冪乗した値を示す。

0084

本発明によるこの実施形態では、制御偏差が大きい場合にデッドタイムt_totを比較的大きく変化させ、制御偏差が比較的小さい場合にデッドタイムt_totを比較的小さく変化させることができて有利である。これにより、ほぼ同じ制御精度の場合、固定のステップ幅による方法よりも、第4ステップS4の少ない実行回数で、近似的に最適デッドタイムt_totを設定することができる。ここでこの固定のステップ幅は、最後に測定した第2過電圧値U_ueb2と、測定電圧の目標値U_sollとの偏差には依存せずに一定のままのステップ幅である。

0085

増幅係数K及び冪乗指数xについての具体的な値は、接続される消費装置X_Lのインピーダンス及びスイッチング特性に依存して有利に選択される。増幅係数Kについての比較的大きな値は、増幅係数Kについての比較的小さな値に比べて、デッドタイムt_totのより急速な変化、ひいては制御偏差のより急速な低減を生じさせる。しかしながら増幅係数Kが所定の制限値を上回った場合に測定電圧U_ausのオーバシュートを生じさせることがあり得る。増幅係数Kは有利には約1〜約10の範囲内で選択される。

0086

冪乗指数xを用いて、測定電圧U_ausの制御の非線形性を制御することができる。制御偏差が大きい場合には1を上回る冪乗指数xにより、デッドタイムt_totの比例を越える変化が発生する。これによって1の冪乗指数xによって得られるよりも、制御偏差の比較的迅速な低減が得られて有利である。しかしながら冪乗指数xが所定の制限値を上回った場合、測定電圧U_ausのオーバシュートを生じさせることがあり得る。冪乗指数xは有利には約1〜約5の範囲で選択される。

0087

所与のインピーダンスと、負荷変動周波数、速さ及び振幅を表す所与のスイッチング特性とを有する所与の消費装置X_Lに対し、増幅係数K及び冪乗指数xについての特に適切な値を実験的に求めることが可能である。例えば増幅係数K及び冪乗指数xをまず、測定電圧U_ausのオーバシュートが観察されるほどまでに大きくすることができる。その後、このようにして見つけた値を、あらかじめ定めた量だけ低減して、測定電圧U_ausのオーバシュートがない、この方法の比較的安全な動作が得られるようにする。

0088

第4ステップS4又は第2判定ステップE2のいずれかに続く第5ステップS5において、第1過電圧値U_ueblに第2過電圧値U_ueb2を代入する。式で表すと、
U_uebl:=U_ueb2
である。

0089

その後、この方法は、第2ステップS2から第5ステップS5までの流れの任意回数の繰り返しで続行される。

0090

本発明による方法のこの実施形態では有利には、過電圧制限値U_ueb_grenzを大きく上回らないようにデッドタイムt_totを選択することができる。第2判定ステップE2において過電圧制限値U_ueb_grenzを上回ったことが確認されると直ちに、測定した第2過電圧値U_ueb2の低減が開始されるように、デッドタイムt_totが補正方向dに変更される。デッドタイムt_totのこの変更は、過電圧制限値U_ueb_grenzに達するか又はこれを下回ると直ちに中止され、過電圧制限値U_ueb_grenzを改めて上回った場合に再度はじめて採用される。この方法のこの実施形態では、第1スイッチング素子1.5.1の切り換えと、第2スイッチング素子1.5.2の切り換えとの間にあり、かつ、スイッチングレギュレータ1.5の測定出口部において測定電圧U_ausの電圧経過の最大値を検出しようとしている測定時間窓を持続的に監視する必要がなくなり有利である。したがってこの方法のこの実施形態は、例えばコンパレータのような構成素子の比較的わずかなコストによって実行可能である。

0091

図8にはこの方法の別の実施形態についての流れ図が示されており、ここでは過電圧U_uebが制限される。この方法は、スタート点S0においてスタートする。第1ステップS1、修正第2ステップS2’及び第2判定ステップE2は、図7によって説明したこの方法の実施形態と同じように実行される。修正第2ステップS2’において求めた第2過電圧値U_ueb2が、過電圧制限値U_ueb_grenzよりも大きい場合、否定の流れパスNに沿って、引き続きのステップS6において繰り返し回数Zが0にセットされる。式で表すと、
Z:=0
である。

0092

繰り返し回数Zが表すのは、あらかじめ設定した過電圧制限値U_ueb_grenzを最後に上回ってからこの方法を何回実行したかである。

0093

第6ステップS6に続いて第1判定ステップE1の流れが、オプションでは第3ステップS3の流れが、また第4ステップS4の流れが、図4ですでに説明したように選択される。

0094

第1判定ステップE1では、第2過電圧値U_ueb2が、第1過電圧値U_ueb1以下であるか否かがテストされる。

0095

第1過電圧値U_ueb1が、第2過電圧値U_ueb2以下である場合、肯定の流れパスJに沿い、これに続く第3ステップS3において補正方向dが変更される。式で表すと
d:=−d
であり、その後、第4ステップが実行される。

0096

第1過電圧値U_ueb1が第2過電圧値U_ueb2よりも大きい場合、補正方向dはそのままであり、第1判定ステップE1の直後に、否定の流れパスNに沿って第4ステップS4が実行される。

0097

第4ステップS4では、デッドタイムt_totが補正方向dに、デッドタイム変化ステップ幅d_t_tot分だけ変化させられる。式で表すと、
t_tot:=t_tot+d*d_t_tot
である。

0098

本発明の一実施形態では、少なくとも1である増幅係数K、及び、第2の過電圧値U_ueb2と測定電圧の目標値U_sollとの間の制御偏差を正の冪乗指数で冪乗したものを乗算することにより、上記デッドタイム変化ステップ幅d_t_totを付加的に求めることができる。式で表すと、
t_tot:=t_tot+d*K*(U_ueb2−U_soll)x
であり、ただしyxは、yをx冪乗した値を示す。

0099

第4ステップS4に続き、第5ステップS5が、図4についてすでに説明したように処理され、以降、修正第2ステップS2’で続行される。

0100

修正第2ステップS2’で求めた第2過電圧値U_ueb2が、過電圧制限値U_ueb_grenz以下の場合、第2判定ステップE2に続いて第7ステップS7が実行され、ここでは繰り返し回数Zがインクリメントされる。式で表すと、
Z:=Z+1
である。

0101

第7ステップS7に続き、第3判定ステップE3では、繰り返し回数Zが1よりも大きいか否かがテストされる。繰り返し回数Zが1よりも大きい場合、肯定の流れパスJに沿い、つぎのステップとして、第5ステップS5が、図4についてすでに説明したように処理され、以降、修正第2ステップS2’で続行される。

0102

第3判定ステップE3において、繰り返し回数Zが1よりも大きくないことが確認されると、否定の流れパスNに沿い、つぎのステップとして、修正第4ステップS4’が処理される。修正第4ステップS4’では、デッドタイムt_totが補正方向dに、あらかじめ設定したステップ数nを乗算したデッドタイム変化ステップ幅d_t_tot分だけ変化させられる。式で表すと、
t_tot:=d*n*d_t_tot
である。

0103

言い換えると、この方法のこの実施形態では、第4ステップS4におけるデッドタイムt_totの変更に続く実行の際に、再度、あらかじめ設定した絶対値n*d_t_tot分だけ同じ方向にこのデッドタイムt_totの変更を行う。

0104

あらかじめ設定するステップ数nを消費装置X_Lのスイッチング特性に適合させることにより、デッドタイムt_totのこの再度の変更の程度を選択し、これにより、消費装置によって引き込まれる負荷電流が一般的な変化をした際に、近似的に最小の過電圧U_uebが得られるようにすることができる。

0105

修正第4ステップS4’に続いて、第5ステップS5が、図4についてすでに説明したように処理され、以降、修正第2ステップS2’で続行される。

0106

第3判定ステップE3において、繰り返し回数Zが1よりも大きいことが確認される場合、肯定の流れパスJに沿い、つぎのステップとして第5ステップS5が、図4についてすでに説明したように処理され、以降、修正第2ステップS2’で続行される。

0107

図8に示したこの方法の実施形態により、給電される消費装置X_Lのスイッチング特性が前もって求められる場合、負荷変化時に測定電圧U_ausを継続的に測定することなく、特に高速であると同時に安定して制御偏差を低減することが可能になり、有利である。したがって増幅係数K及び/又は冪乗指数x及び/又はステップ数nを適合化することにより、種々異なってはいるが既知のスイッチング特性を備えた消費装置X_Lの給電に容易に適合させることが可能な、特に簡単かつ安定したスイッチング電源を開発することができる。

0108

1スイッチング電源、 1.1、1.2 入力部コンタクト、 1.3、1.4測定出力部コンタクト、測定出力部 1.5スイッチングレギュレータ、 1.5.1 第1スイッチング素子、 1.5.2 第2スイッチング素子、 2測定ユニット、 3処理ユニット、 4制御ユニット、 X_L負荷抵抗、消費装置、 Cキャパシタ、 Lインダクタ、 U_ein直流入力電圧、 U_aus測定電圧、 U_soll 測定電圧の目標値、 U_ueb過電圧、 t 時間、時間軸、 t_totデッドタイム、 t_tot* 最適デッドタイム、 t_schalt 切換時点、 t_mess測定時間窓、 S0スタート点、 S1〜S7 第1〜第7ステップ、 S2’修正第2ステップ、 S4’ 修正第4ステップ、 E1、E2、E3 第1〜第3判定ステップ、 J肯定の流れパス、 N否定の流れパス

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