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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Überwachung von Temperaturänderungen eines geregelten Resonanzwandlers mit variabler Schaltfrequenz.
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Derartige Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Dabei wird üblicherweise die absolute Temperatur mittels einer Sensorik gemessen. Bei Erreichen einer Übertemperatur kann der Resonanzwandler zum Schutz abgeschaltet werden. Die Resonanzwandler befinden sich im geregelten Betrieb, um die je nach Anwendung gewünschte Ausgangsgröße (z.B. Ausgangsspannung, -strom oder -leistung) auf einem vorgegebenen Niveau zu halten, wobei die Beeinflussung der Ausgangsgröße durch Veränderungen der Schaltfrequenz geschieht.
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1 zeigt die Struktur eines typischen Regelkreises für einen Resonanzwandler 3, dessen Stellgröße die Frequenz F der Ansteuersignale 4 ist. Mögliche Soll- und Istgrößen XSoll und XIst sind die Ausgangsleistung, -spannung oder -strom des Resonanzwandlers 3. Anstelle der Frequenz F könnte auch die gewünschte Periodendauer oder ein Teilerfaktor, bezogen auf eine höhere Basisfrequenz des Signalgenerators 2 vom Regler 1 ausgegeben werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Temperaturüberwachung eines Resonanzwandlers vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Temperaturüberwachung eines geregelten Resonanzwandlers mit variabler Schaltfrequenz in folgenden Schritten gelöst:
- – Überwachung der Änderung der Schaltfrequenz oder einer ihr korrespondierenden Größe als erste Größe gegenüber ihrem Anfangswert im geregelten Betrieb und
- – Auswertung dieser Änderung anhand eines Modells oder einer Tabelle, die den Zusammenhang zwischen Änderungen der ersten überwachten Größe und Temperaturänderungen wiedergibt.
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Vorteilhaft ist dabei, dass dieses Verfahren ohne eine Sensorik zur Erfassung einer Temperaturänderung auskommt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß Anspruch 2 die überwachte Größe vor Ermittlung der Änderung vorverarbeitet wird. Eine solche Vorverarbeitung besteht zweckmäßigerweise in einer Filterung.
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Um Einflüsse zu vermeiden, die sich fehlerhaft auf die zu ermittelnde Temperaturänderung auswirken, wird die Änderung der ersten überwachten Größe vor ihrer Auswertung um einen Korrekturwert verändert.
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Schaltfrequenzänderungen als Folge von Änderungen der geregelten Ausgangsgröße werden bei der Ermittlung der Temperaturänderung unterdrückt, indem eine Überwachung der Änderung der geregelten Ausgangsgröße des Resonanzwandlers oder einer ihr korrespondierenden Größe als zweite Größe gegenüber ihrem Anfangswert im geregelten Betrieb erfolgt und der Korrekturwert durch Auswertung dieser Änderung anhand eines weiteren Modells oder einer weiteren Tabelle ermittelt wird, die den Zusammenhang zwischen Änderungen der zweiten überwachten Größe und Änderungen der ersten überwachten Größe wiedergibt.
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Diese Aufgabe wird weiterhin durch eine Temperaturüberwachungsvorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gemäß Anspruch 7 gelöst.
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Beispielsweise kann eine solche Temperaturüberwachungsvorrichtung vorteilhaft in einem Resonanzwandler zum Einsatz kommen, der in einem Ladesystem für Elektrofahrzeuge verbaut ist. Dies ist sowohl für kabelgebundene als auch für induktive Ladesysteme möglich. Hier wirkt sich besonders vorteilhaft aus, dass auf Temperatursensoren verzichtet werden kann, deren optimale Positionierung eine Herausforderung darstellt, um ausreichend genaue Temperaturmesswerte zu erhalten.
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Ebenfalls denkbar ist der Einsatz in einem Resonanzwandler in einem Schaltnetzteil, beispielsweise für Industrie-PCs, Laptops oder Industrieanwendungen, wie beispielsweise die Spannungsversorgung von Steuergeräten. Mit der fortschreitenden Integration von Leistungselektronik und deren Ansteuerung ist der Verzicht auf Temperatursensoren und deren Auswertung ein wertvoller Beitrag.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Regelkreisstruktur eines geregelten Resonanzwandlers mit variabler Schaltfrequenz gemäß dem Stand der Technik,
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2 den Zusammenhang zwischen der Resonanzfrequenz und Kondensatorkapazität eines Reihenschwingkreises bei gleichbleibender Induktivität,
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3 den Einfluss eines verringerten Kapazitätswertes auf die Ausgangskennlinie eines Resonanzwandlers,
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4 ein Beispiel für Temperaturabhängigkeiten von Kondensatoren,
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5 den Zusammenhang ΔT = f(ΔF) zwischen Temperaturänderung ΔT sowie Resonanzfrequenzänderung ΔF in einem Reihenschwingkreis.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der sensorlosen Überwachung der Betriebstemperatur eines Resonanzwandlers, um z.B. im Übertemperaturfall eine Abschaltung vornehmen zu können.
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Dabei wird hier nicht die absolute Temperatur bestimmt, sondern eine Schätzung der Temperaturveränderung während des geregelten Betriebs des Resonanzwandlers auf Basis der Betriebsgrößen des Regelkreises vorgenommen, ohne zusätzlich eine Sensorik zu verwenden. Durch Auswertung dieser geschätzten Temperaturveränderung kann z.B. eine Abschaltentscheidung getroffen werden, um den Wandler vor Übertemperatur zu schützen.
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Temperaturänderungen werden aus den ohnehin bekannten Betriebsgrößen des Resonanzwandlers ermittelt. Konkret wird dabei die Stellgröße des Reglers 1 gemäß 1 herangezogen, sofern diese direkt oder indirekt die Schaltfrequenz des Resonanzwandlers beeinflusst. Bei einem digital implementierten Regler (beispielsweise auf Basis eines Mikrocontrollers) liegt die Stellgröße – und damit eine mit der Schaltfrequenz des Wandlers verbundene Größe – als Rechenergebnis des Regelalgorithmus bereits vor.
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Der Arbeitspunkt der Schaltfrequenz eines Resonanzwandlers liegt typischerweise in der Nähe der Resonanzfrequenz des Wandlers und wird – bei zunächst als konstant angenommener Last – vor allem durch Veränderungen der Induktivität L und der Kapazität C des Schwingkreises beeinflusst. Die Resonanzfrequenz eines Reihenschwingkreises ist bekanntermaßen durch fResonanz = 1/(2·π·L·C) gegeben. Ändert sich mindestens eine der Größen L oder C, hat dies bei einem geregelten Resonanzwandler eine Änderung der Schaltfrequenz zur Folge, um die Ausgangsgröße des Wandlers (z.B. Spannung, Strom oder Leistung) auf dem vorgegebenen Niveau zu halten. Bei verkleinertem C beispielsweise erhöht sich die Größe fResonanz gemäß 2. Dadurch muss die Schaltfrequenz im Mittel einen höheren Wert einnehmen, um die gleiche Ausgangsgröße des Wandlers zu erzielen, wie in 3 dargestellt, die den Einfluss eines verringerten Kapazitätswertes C (Pfeil nach unten) auf die Ausgangskennlinie eines Resonanzwandlers zeigt. Um die Ausgangsgröße konstant zu halten, muss eine höhere Schaltfrequenz F gewählt werden bzw. stellt sich diese im geregelten Betrieb automatisch ein.
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Je nach Dielektrikum findet bei den eingesetzten Kondensatoren bei Temperaturanstiegen meist eine negativ oder positiv korrelierte Veränderung der Kapazitätswerte gemäß 4 statt. Eine temperaturabhängige Veränderung der Schaltfrequenz in geregelten Resonanzwandlern wird bei entsprechend großen Temperaturkoeffizienten der Kondensatoren im Wesentlichen von diesem Wirkprinzip verursacht werden, da der Temperatureinfluss auf die Induktivität L im Vergleich vernachlässigt werden kann.
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Die in 4 beispielhaft dargestellten Temperaturabhängigkeiten (Temperatur T in Grad Celsius) von Kondensatoren sind idealisierte Kapazitätsverläufe (Abweichung der veränderten Kapazität ΔC gegenüber ihrem Anfangswert C0 bezogen auf den Anfangswert C0 in Prozent) von zwei unterschiedlichen Kondensatoren mit Temperaturkoeffizienten von 100 und –750 Millionstel pro Kelvin.
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Diese Zusammenhänge werden gemäß der erfinderischen Idee verknüpft. Aufgrund des geregelten Betriebs des Resonanzwandlers wird bei konstanter Last und Ausgangsgröße die durch den Regler nach 1 direkt oder indirekt bestimmte Schaltfrequenz im Mittel bei einer erhöhten Temperatur steigen oder fallen, je nachdem, ob es sich um Kondensatoren mit negativen oder positiven Temperaturkoeffizienten handelt. Wird die Schaltfrequenz über einen längeren Betriebszeitraum beobachtet, kann dadurch auf Veränderungen in der Temperatur des Resonanzwandlers geschlossen werden. Entsprechend kann anhand dieser Beobachtungen beispielsweise bei Erreichen einer bestimmten Frequenzobergrenze bzw. -untergrenze eine Übertemperaturabschaltung ausgelöst werden.
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Um nicht nur eine Abschaltschwelle zu implementieren, sondern auch eine geschätzte Information über die Temperaturentwicklung im Resonanzwandler zur Verfügung stellen zu können, kann der geschätzte Zusammenhang zwischen Temperaturänderung ΔT und Frequenzänderung ΔF in einer Tabelle oder in einem mathematischen Modell ΔT = f(ΔF) hinterlegt werden, z.B. als polynomiale Kennlinie. Diese Kennlinie bzw. dieses Modell lässt sich beispielsweise aus den Zusammenhängen von Temperatur- und Kapazitätsänderungen gemäß 4 sowie Kapazitäts- und Resonanzfrequenzänderungen gemäß 2 ermitteln, oder aber messtechnisch auf experimentellem Wege (Messen der Schaltfrequenz bei verschiedenen Betriebstemperaturen als Basis für die Kennlinie bzw. das Modell). 5 demonstriert die Genauigkeit, die bereits ein lineares Modell (Geradengleichung) für den Zusammenhang ΔT = f(ΔF) bieten kann.
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In 5 ist der Zusammenhang ΔT = f(ΔF) zwischen Temperaturänderung ΔT sowie Resonanzfrequenzänderung ΔF (in Hertz: Hz) in einem Reihenschwingkreis (gestrichelt dargestellt, hier als Beispiel mit L = 50μH, Nominalkapazität C = 20nF, Kapazitätsänderung des Kondensators linear angenommen mit –1%/10K mit K = Kelvin) sowie Näherung dieses nichtlinearen Zusammenhangs durch eine durchgezogene Gerade dargestellt.
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Sollte der Regler als Stellgröße nicht die Frequenz (oder eine dazu proportionale Größe) ausgeben, sondern beispielsweise die Periodendauer der Schaltvorgänge, ist die Größe ΔF in den beschriebenen Zusammenhängen entsprechend umzurechnen in Änderungen der vorliegenden Stellgröße.
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Da die obigen Zusammenhänge von einer konstanten Last und Regelgröße des Resonanzwandlers ausgehen, wird in einer Erweiterung für Wandler, die variable Arbeitspunkte für die geregelte Ausgangsgröße des Wandlers bedienen müssen, in einem erweiterten Modell die Ausgangsgröße berücksichtigt. Dadurch kann unterschieden werden, welche Schaltfrequenzänderungen von Änderungen der Ausgangsgröße stammen, und welche tatsächlich auf eine Temperaturänderung zurückzuführen sind. Beispielsweise ist dann ein weiteres Modell oder eine Tabelle vorhanden, worin der Zusammenhang zwischen der Änderung der geregelten Ausgangsgröße X des Wandlers (z.B. Leistung, Spannung oder Strom) und der Schaltfrequenz beschreibt, d.h. ΔFX = fX(ΔX). Um diesen Wert ΔFX wird dann die tatsächliche Frequenzänderung ΔF vermindert, bevor aus dem bereits beschriebenen Modell ΔT = f(ΔF – ΔFX) die Temperaturänderung des Wandlers bestimmt wird. Da die Ausgangsgröße des Wandlers als Regelgröße bei einer digitalen Implementierung bereits sensorisch erfasst und ebenso wie die Stellgröße vorhanden ist, sind auch für dieses erweiterte Verfahren keine baulichen Änderungen bzw. zusätzlichen Sensoren notwendig.
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Prinzipiell ist auch denkbar, den Zusammenhang zwischen absoluter Temperatur T und Schaltfrequenz F zu modellieren und als Kennlinie T = f(F) zu hinterlegen, um im laufenden Betrieb auf die absolute Temperatur schließen zu können. Allerdings ist anzumerken, dass die Exemplarstreuung der Kapazität eines Kondensators im Vergleich zum Anstieg der temperaturabhängigen Kapazitätskennlinie gemäß 4 typischerweise so hoch liegt, dass die absolute Temperatur nur mit einer sehr hohen Ungenauigkeit ermittelt werden könnte. Durch die erfindungsgemäße Auswertung der Schaltfrequenzänderung und daraus abgeleiteten Ermittlung der Temperaturänderung statt einer absoluten Temperatur dagegen spielen Streuungen der absoluten Kondensatorkapazität eines Exemplars keine Rolle mehr.
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Um die erfindungsgemäße Temperaturänderungsüberwachung zu implementieren, sind zusammengefasst folgende Schritte notwendig:
- – (1) Überwachung der Stellgröße des Regelkreises oder einer daraus beispielsweise durch Filterung abgeleiteten Größe,
- – (2) Speichern des Wertes dieser Größe im Arbeitspunkt nach dem Einschwingen des Regelkreises als Vergleichswert,
- – (3) danach während des geregelten Betriebs des Wandlers kontinuierlich bzw. in bestimmten Zeitabständen Differenzbildung der überwachten Größe in Bezug auf den Vergleichswert,
- – (4) Ermittlung eines Temperaturdifferenzwertes, der die Temperaturänderung des Wandlers seit Aufnahme des Vergleichswertes der überwachten Größe angibt, anhand eines zuvor zu erstellenden mathematischen Modells (z.B. polynomiale Kennlinie) oder einer Tabelle, worin der Zusammenhang zwischen Änderung der überwachten Größe und Temperaturänderung abgebildet ist,
- – (5) bei Erweiterung des Verfahrens um die Einbeziehung der Ausgangsgröße des Wandlers:
(5a) Speicherung der Ausgangsgröße nach dem Einschwingvorgang im geregelten Betrieb,
(5b) danach während des Betriebs regelmäßiger Vergleich des aktuellen Ausgangsgrößenwertes mit dem gespeicherten Wert,
(5c) Ermitteln einer von dieser Ausgangsgrößendifferenz verursachten Stellgrößendifferenz anhand eines Modells oder einer Tabelle, Verminderung der oben in Schritt (3) erwähnten Stellgrößendifferenz um diesen Wert, bevor aus dem in Schritt (4) erwähnten Modell die Temperaturänderung bestimmt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Temperaturüberwachung eines geregelten Resonanzwandlers mit variabler Schaltfrequenz umfasst zusammenfassend im Wesentlichen die folgenden Schritte:
- – Überwachung der Änderung der Schaltfrequenz oder einer ihr korrespondierenden Größe als erste Größe gegenüber ihrem Anfangswert im geregelten Betrieb und
- – Auswertung dieser Änderung anhand eines Modells oder einer Tabelle, die den Zusammenhang zwischen Änderungen der ersten überwachten Größe und Temperaturänderungen wiedergibt.
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Die überwachte Größe wird vor Ermittlung der Änderung vorverarbeitet, wobei die Vorverarbeitung in einer Filterung besteht.
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In einer Weiterbildung des beschriebenen Verfahrens wird die Änderung der ersten überwachten Größe vor ihrer Auswertung um einen Korrekturwert verändert.
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Hierzu erfolgt eine Überwachung der Änderung der geregelten Ausgangsgröße des Resonanzwandlers oder einer ihr korrespondierenden Größe als zweite Größe gegenüber ihrem Anfangswert im geregelten Betrieb. Der Korrekturwert wird durch Auswertung dieser Änderung anhand eines weiteren Modells oder einer weiteren Tabelle ermittelt, die den Zusammenhang zwischen Änderungen der zweiten überwachten Größe und Änderungen der ersten überwachten Größe wiedergibt.
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Die Ausgangsgröße kann z.B. eine Ausgangsspannung, ein -strom oder eine -leistung sein.
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Als Vorteile des beschriebenen Verfahrens zur Ermittlung von Temperaturänderungen in Resonanzwandlern sind anzuführen:
- – Ausnutzung von vorhandenen Betriebsgrößen geregelter Resonanzwandler, ohne zusätzliche Sensorik zur Temperaturmessung zu benötigen.
- – Im Falle konstanter Belastung kann bereits mit einem sehr einfachen linearen Modell eine recht genaue Aussage über die Temperaturänderung im System anhand der Schaltfrequenzänderungen getroffen werden.
- – Ein zusätzlicher Schutz des Resonanzwandlers vor Übertemperatur kann auf diese Weise sehr einfach und ggf. ohne weitere Hardwarekosten implementiert werden, wenn die Regelung des Wandlers ohnehin digital (z.B. in einem Mikrocontroller) erfolgt.
