用于操作DC-DC转换器的方法、控制装置以及DC-DC转换器与流程

dc-dc电压转换器或dc-dc转换器在不同的操作点处总是应当具有最佳的功率效率，也就是说在不同的载荷情况或交替载荷的情况下，也就是说假设在输入端和输出端处具有不同的边界条件，其总是应当找到最佳工作点。

在us2009/0179619a1中，建立了输入电压、输入电流、输出电流以及占空比之间的效率的对应关系以便找到最佳工作点。

根据us2005/0219883a1可知，可以借助于微控制根据检测到的变量来配置dc-dc电压转换器以便设定dc-dc电压转换器的高效操作。本发明基于以下目的：针对每种情况下的不同边界条件以实现最佳能效的方式操作dc-dc电压转换器。

该目的借助于独立权利要求的主题来实现。通过从属权利要求、以下说明和附图描述了本发明的有利改进。

本发明的一方面描述了一种操作dc-dc电压转换器或dc-dc转换器的方法。此处，借助于脉宽调制对dc-dc电压转换器进行操作，也就是说，在输出端处，借助于调节器单元将输出变量，例如输出电压调整为规定的设定值。输出变量因此构成调节变量。在这种情况下，取决于输出变量的实际值，调节器单元基于调节规范设定dc-dc电压转换器的切换晶体管的经脉宽调制切换信号的占空比。在包括整流二极管的dc-dc电压转换器的情况下，可以提供单个切换晶体管。整流二极管也可以由第二晶体管代替，其结果是产生所述同步转换器。因此，调节器单元调整占空比以调整调节变量。然而，占空比并不是脉宽调制的唯一操作参数或唯一特征值。例如，周期或pwm(脉宽调制)频率是另外的操作参数。调节器单元具有至少一个用于提供脉宽调制的这种操作参数，然而，所述操作参数不用于进行调整，而是独立于输出变量的实际值被指定。换句话说，所述操作参数不用于调整输出变量。

现在，为了以实现最佳效率的自动方式配置dc-dc电压转换器的操作，在根据本发明的所提及方面的方法中还提供了以下内容。该至少一个操作参数被设计成是可变的。换句话说，该操作参数不是基于电路技术而规定的，而是可以通过控制装置进行设定或改变。为此，该至少一个操作参数通过控制装置，具体地在试验的基础上或初始地在临时的基础上被改变为对应的新参数值。然后，调节器单元对此做出反应，其方式为使得调节器单元进一步尝试调整输出变量的设定值，并为此根据调节规范调整占空比。由于边界条件，即该至少一个操作参数，如例如pwm频率已经改变，所以此处可以产生新的占空比值。控制装置通过未经改变的设定值和对应的新参数值验证调节器单元是否为调整输出变量而设定了比设定对应的新参数值之前更低的占空比(d)。在这种情况下，也就是说，当调节器单元降低占空比时，对应的新参数被保留。在相反的情况下，也就是说，当调节器单元增大占空比时，对应的新参数值被改变回去。也就是说，在设定新参数值之前存在或设定的对应参数值被再次设定。

控制装置因此以调节器单元的该至少一个操作参数的形式在试验的基础上改变边界条件。在这种情况下，调节器单元继续根据调节规范操作其锁相环并且设定与该至少一个操作参数相关联的占空比以调整设定值。在这种情况下，控制装置改变该至少一个参数值，只要因此产生占空比的降低即可。因此，在给定设定值的情况下，dc-dc电压转换器总体上朝着最低占空比靠拢。这对应于dc-dc电压转换器的效率的最大化，如将在以下文本中结合对示例性实施例的描述总体上得出的。

因此，控制装置可以以所描述的方式改变调节器单元的不同操作参数以便由此优化其操作从而提高效率。作为该至少一个操作参数，脉宽调制的周期(也就是说，pwm频率的倒数)被更改或改变以获得新参数值。此外或作为这种情况的替代方案，可以借助于该对应的新参数值来改变切换边缘的边缘陡度。

本发明还包括可选的技术特征，这些技术特征各自产生额外的优势。

具体地，由于占空比总体上通过该至少一个新参数值的重复设定而被最小化的事实，实现了在功率效率或简称效率方面的最佳工作点。

如上所述，输出变量由调节器单元进行调节。在这种情况下，优选地规定：在该dc-dc电压转换器中，在输入端处接收输入电压，并且作为该输出变量的输出电压或输出电流或输出功率在该输出端处被调节为该设定值。

由于控制装置不是调节器单元本身的一部分，但是其通过改变该至少一个参数值从外部影响所述调节器单元，所以控制装置必须能够识别由调节器单元设定的所得占空比。为此，优选地规定：该占空比由该控制装置基于对该输出变量的切换边缘的时间测量进行测量。为此，控制装置与调节器单元的直接互连则是不必要的。因此，控制装置可以回顾性地耦合到调节器单元。作为这种情况的替代方案，可以规定：该占空比由该控制装置基于该切换信号来标识，该dc-dc电压转换器的至少一个切换晶体管或简称晶体管借助于该切换信号进行切换。例如，可以在晶体管的栅极处施加或生成所述切换信号。这产生以下优点：占空比的测量结果不会因例如连接在dc-dc电压转换器下游的电容负载或电感负载而失真。第三替代方案包括：控制装置借助于从调节器单元接收到的数字数据值从调节器单元中直接数字地检测该占空比，该调节器单元已经借助于处理器设备标识该数字数据值。在这种情况下，所涉及的是理论上需要的占空比，也就是说，未因为线路阻抗而失真的占空比。因此，三个测量选项可用于标识真实占空比，即时间测量、对采用例如栅极信号的形式的积分信号的测量以及所需占空比的计算值。

控制装置以所描述的方式改变调节器单元的不同操作参数以便由此优化其操作从而提高效率。除了所提及的操作参数，也就是说脉宽调制的周期和/或切换边缘的边缘陡度之外，还可以借助于参数值来设定被反相同步切换的晶体管之间的死区时间。

在验证占空比的变化时，应当确保调节器单元当前处于稳定状态，也就是说，占空比甚至未由于例如设定值或输出变量或所连接电负载的变化而变化。具体地，此处可以规定：该至少一个操作参数被首先改变或者仅在该控制装置检测到该实际值与该设定值的偏差满足预定稳态标准时才被该控制装置改变。稳态标准可以指示例如实际值与设定值之间的差值的大小必须小于预定阈值。此外或作为这种情况的替代方案，稳态标准可以规定：例如该偏差在预定时间段内的波动必须小于预定容差值。换句话说，调节变量或输出变量与其设定值的偏差因此必须很低(大小低于阈值)。此外，调节器单元应当处于稳定状态，也就是说，在最小时间段内，偏差应当小于容差值。也就是说，当设定了该至少一个新参数值时，调节器单元本身因此处于稳态相位或稳定状态，也就是说，处于调整相位之外。因此，可以假设占空比的变化可以归因于该至少一个参数值的变化。

为了实施根据本发明的前述方面的方法，本发明的另外方面提供了一种用于dc-dc电压转换器的控制装置。该控制装置可以例如基于微控制器或作为集成电路(ic)的一部分或通过计算单元来实现。该控制装置被设计成标识该dc-dc电压转换器的调节器单元已经设定的占空比。此外，该控制装置被设计成调整该调节器单元的至少一个操作参数，也就是说，重置或改变该至少一个操作参数的对应参数值。此外，该控制装置被设计成实施根据本发明的方法的实施例。

根据本发明的另外方面，该dc-dc电压转换器通过将该控制装置与dc-dc电压转换器组合而产生。所述dc-dc电压转换器具有电线圈和调节器单元，该调节器单元用于在该dc-dc电压转换器的输出端处调整输出变量。该调整通过借助于至少一个切换晶体管基于脉宽调制以所描述的方式切换电线圈的线圈电流来进行。在这种情况下，该调节器单元耦合至根据本发明的控制装置的实施例。因此，该调节器单元以及因此该dc-dc电压转换器被总体上配置成通过操作控制装置来形成最佳功率效率。

例如，可以在机动车中提供该dc-dc电压转换器。

下文描述了本发明的示例性实施例。在这方面，在附图中：

图1示出了根据本发明的dc-dc电压转换器的实施例的示意图；

图2示出了曲线图，该曲线图具有升压整流的随着时间t变化的线圈电流的示意性轮廓；并且

图3示出了曲线图，该曲线图具有降压整流的线圈电流的示意性时间轮廓。

下文中说明的示例性实施例是本发明的优选实施例。在该示例性实施例中，该实施例的所描述部件各自表示本发明的单独特征，这些单独特征将被彼此独立地考虑并且各自还彼此独立地发展本发明，并且因此还可以单独地或以不同于所示组合的组合被认为是本发明的组成部分。此外，已经描述的本发明的另外的特征也可以添加到所描述的实施例中。

在附图中，功能相同的元件各自提供有相同的附图标记。

图1示出了dc-dc转换器或dc-dc电压转换器10，该转换器可以在输入端11处接收来自电压源12的输入电压u输入并且可以在输出端13处产生用于电负载14的输出电压u输出。电压源12可以是例如电池或开关模式电源。电负载14可以是例如控制设备或dc电机。图1展示了升压转换器或增压转换器。在所示出的示例性实施例中，dc-dc电压转换器10具有电线圈15、采用切换晶体管(或简称晶体管)形式的开关16以及整流二极管17。对于同步转换器而言，可以提供另外的采用晶体管形式的开关来代替整流二极管17。此外，可以在输出端13处提供平滑电容器18。输入端11的电触头通过线圈15与晶体管16的电触头和二极管17或第二晶体管的电触头互连。线圈15和二极管17通过晶体管16与输入端11和输出端13的第二电触头互连。线圈15和晶体管16通过二极管17与输出端13的第一电触头互连。平滑电容器18与输出端13的该两个电触头互连或电容性地耦合。

切换晶体管16可以由调节器单元19借助于对晶体管16的栅极处的切换信号20`的脉宽调制20来进行切换。在这种情况下，调节器单元19可以根据输出电压u输出的值来设定占空比——该占空比也被称为传号空号比(mark-to-spaceratio)d——以便因此将输出电压u输出调整为设定值21。输出电压u输出的实际值22可以由调节器单元19借助于电压测量设备23，例如分压器进行检测。调节器单元19可以根据实际值22和设定值21借助于调节规范24，例如pid(比例积分微分)调节来设定脉宽调制20的占空比d。

此处，为了优化dc-dc电压转换器10的功率效率η，可以提供控制装置25，例如作为ic的组成部分，也可以通过该ic提供调节器单元19。

调节器单元19的操作参数的至少一个参数值26可以通过控制装置25来改变或设定，该参数值被提供用于调整或提供脉宽调制20，并且因此，功率效率η可以得到优化。在这种情况下，控制装置25基于占空比d的数据值27迭代地识别功率效率的提高，控制装置25可以从调节器单元19接收该数据值。当例如调节偏差28(ε)满足预定的稳态标准29时，例如当调节偏差的大小低于预定阈值时，可以根据调节器单元19的稳定状态来改变该至少一个参数值26。

对功率效率η的所述优化根据以下对dc-dc电压转换器的输入变量和输出变量的观察产生，通过该观察，输入变量和输出变量不提供关于dc-dc电压转换器10的工作点或操作点，也就是说当前参数值26是否理想的任何额外信息。对效率η的计算如下：

对于升压转换器(增压转换器)：

并且对于降压转换器(减压转换器)：

在这种情况下，p输入是汲取的总电功率，并且p输出是输出的输出功率。在这种情况下，假设提供了输入电压u输入，并且输出电压u输出由调节器单元19进行调节。

如果现在考虑转换器电感器，也就是说线圈15中的电流曲线，并且注意到，根据基尔霍夫定律(kirchhoffslaw)，流入某个节点的电流也必须再次流出所述节点，则会获得电流的平均值的以下对应关系，其中，在图1和图2中，针对线圈电流30、输出电流31、平均输入电流i输入，平均以及平均输出电流i输出，平均提供了升压转换器(增压转换器)的图示：

对于升压转换器：

i输出，平均＝i输入，平均·(1-d)

并且对于降压转换器：

i输入，平均＝i输出，平均·d

此外，图2展示了周期t，也就是说pwm频率f＝1/t的倒数以及真实占空比d。

图3以相当的方式展示了降压转换器(减压转换器)的线圈电流32和输入电流33的平均输出电流i输出，平均。

如果现在将这些方程分别彼此代入，则会获得功率效率η的以下结果：

对于两个结果，可以确定的是，如果要增大η，则必须减小真实占空比d。在这方面，在输出端11和输出端13处存在何种功率不再重要。仅必须找到真实占空比d的最小值。这意味着控制装置25必须执行优化dc-dc电压转换器10的效率η的方法，而无需明确关注效率η的这个值，而且也无需检测将使得可以计算效率η的唯一变量。

因此，控制装置25必须仅标识dc-dc电压转换器10的真实占空比d，并且通过改变至少一个操作参数的参数值26来改变该至少一个操作参数以便因此找出真实占空比d的最小值。如果找到了在给定设定值21和采用负载14的形式的给定负载以及给定输入电压u输入的情况下的占空比d的整体最小值，则所设定参数值26表示在规定供给条件和负载条件的情况下的最佳工作点。

可以通过时间测量或借助于对积分信号，例如晶体管16的栅极的致动信号或切换信号20`的测量来标识真实占空比d。图1展示了占空比d被用作数字值27，也就是说对调节器单元19标识的所需占空比的指示的实施例。

可变操作参数通常是与dc-dc电压转换器10的效率η相关的操作参数。具体地，该可变操作参数是pwm频率f，并且其另外还可以是具有该同步转换器的进行反相同步切换的晶体管的实施例的死区时间。此外或作为替代方案，切换过程的边缘陡度在此处也可以起作用，其中，电磁兼容性(emc)在此处也会受到影响，这一点应当纳入考虑。通过简单的试验，可以确定dc-dc电压转换器10的给定模型的哪个所提及操作参数最有效地产生对效率η的优化。

在dc-dc电压转换器10中，调节器单元19可以以所描述的方式调节输出电压u输出。然而，还可以提供对输出端13处的输出电流31和/或输出功率p输出的调节。

采用所提及的方式，控制装置25可以是ic的一部分，该控制装置也包含调节器单元19。然而，还可以提供单独计算单元与软件或作为切换逻辑和与其分离的调节器单元19的组合。唯一的条件是dc-dc电压转换器10以合适的方式，也就是说以模拟或数字方式向控制装置25提供有关占空比d的信息。然后，控制装置25可以选择设定或改变参数值26，并且以占空比d的经改变值的形式标识调节器单元的反应。

此处，有利的是，仅在以下情况下才发生对真实占空比d的标识或数据值27与所需占空比d的一起使用：调节变量(在电压作为输出变量的电压转换器的情况下为输出电压，在电流作为输出变量的电压转换器的情况下为输出电流，或在功率作为输出变量的电压转换器的情况下为输出功率)与设定值21的偏差28的大小低于阈值，也就是说非常低。具体地，该偏差应低于20％，优选地低于10％。

总的来说，该示例示出了本发明在不测量输入功率和输出功率的情况下可以如何提供对dc-dc电压转换器(dc-dc转换器)的效率调整。

附图标记清单

10dc-dc电压转换器

11输入端

12电压源

13输出端

14电负载

15电线圈

16晶体管

17整流二极管

18平滑电容器

19调节器单元

20脉宽调制

21设定值

22实际值

23电压测量单元

24调节器规范

25控制装置

26参数值

27数据值

28调节器偏差

29稳态标准

30线圈电流

31输出电流

32线圈电流

33输入电流

d占空比

t周期

t时间

u输入输入电压

u输出输出电压