AT414065B - Hochdynamisches und robustes regelverfahren für leistungselektronische konverter insbesondere von dc/dc konvertern - Google Patents

Description

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AT 414 065 B

Bei Schaltnetzteilen ist oft eine hochdynamische Regelung der Ausgangsspannung erforderlich. Diese kann einerseits in bezug auf Eingangsschwankungen, anderseits in Bezug auf Laständerungen gefordert werden. Mikrocontroller und digitale Signalprozessoren stellen hohe Anforderungen an die Konstanz der Betriebsspannung, stellen aber gleichzeitig Lasten mit sich sehr 5 rasch änderndem Strombedarf dar.

Die Regelung eines Schaltnetzteils kann nur über die Schaltfrequenz und/oder die Pulsweite erfolgen. Dabei sind einschleifige Spannungsregelungen, die direkt auf die steuernde Eingangsgröße des Konverters, also auf Pulsfrequenz und/oder Tastverhältnis wirken, üblich, io Weiters sind auch zweischleifige Regelkonzepte üblich. Dabei wird dem Spannungsregler ein Stromregler unterlagert. Dieser unterlagerte Stromregler kann u.U. die Dynamik des Systems verbessern und durch die damit gegebene Stromüberwachung Überströme begrenzen. Besonders häufig wird in Schaltnetzteilen der Peak Current Control (PCC) verwendet, der jedoch aus Stabilitätsgründen eine Einschränkung des Tastverhältnisses erfordert. Der Average Current 15 Control (ACC) entspricht einer aus der Antriebstechnik bekannten unterlagerten Stromregelung, ist jedoch beim Einsatz in hochdynamischen Netzteilen zu langsam. Der Strom im Konverter hat im wesentlichen einen dreieck- oder trapezförmigen Verlauf, im Spektrum entstehen daher durch die Taktung Anteile ganzzahliger Vielfache der Schaltfrequenz. Die Mittelwertbildung erfolgt über Tiefpässe entsprechender Grenzfrequenz und Ordnung. Das Einschwingen dieser 20 Filter verzögert die Mittelwertbildung und daher die Istwerterfassung für den Regelkreis.

Aus der Patentliteratur sind stromgeregelte Gleichspannungswandler bekannt. In WO 91/16756 (SIEMENS) wird eine dem Spitzenwert des Stromes entsprechende Gleichspannung mit Hilfe eines zusätzlichen, gleichphasig mit den elektronischen Schaltern getakteten 25 Schalters, gewonnen. Ziel ist hier eine Strombegrenzung, besonders bei Systemen mit der Gefahr von Kurzschlüssen am Ausgang. EP 415 244 A2 (INTERNATIONAL SEMICONDUC-TOR CORP.) behandelt eine Schaltung zur optimalen Erzeugung der Kompensationsrampe mit minimalem erforderlichem Gefälle. Die Kompensationsrampe ist aus Stabilitätsgründen bei der Peak Current Control notwendig. EP 744 816 A2 (AT&T) beschreibt einen Power Factor Correc-30 tor, bei dem zwecks Verbesserung der Qualität der Korrektur der Strommesswiderstand geteilt wird und an der Mittelanzapfung des Widerstandes ein Eingangskondensator (des EMI Filters) angeschlossen ist. EP 1 014 549 A2 (INTERSIL CORP.) behandelt eine Stromerfassung des Stroms in der Induktivität eines Konverters. Der Strom wird mit Hilfe eines RC Glieds, das parallel zur Induktivität geschaltet ist, erfasst. Das Verfahren setzt, um korrekt zu funktionieren, einen 35 Abgleich voraus. Die Stromerfassung dient als Istwerterfassung für eine Spitzenstromregelung.

Um die Dynamik zu verbessern, wird nun folgendes Verfahren vorgeschlagen. Der Strom wird mit irgend einem bekannten Verfahren erfasst. Das ist z.B. ein Shunt, ein Hallsensor, oder ein SenseFET mit angeschlossenem Verstärker. Damit wird ein Signal, das im wesentlichen ein 40 Abbild des Stromes ist, erzeugt. Besonders an den Schaltzeitpunkten der elektronischen Schalter des Konverters kommt es oft zu nicht unbeträchtlichen Störungen des Messsignals. (Auch diese Störungen müssen von dem sonst nachgeschalteten Filter beseitigt werden.) Beim neuen Verfahren wird nun kurz nach dem Einschalten der aktiven Schalter des Konverters das Strommesssignal abgetastet. Die Verzögerungszeit zwischen dem Einschaltzeitpunkt des aktiven 45 Schalters und der Abtastung wird entsprechend der Dauer der oben erwähnten Störung erfolgen. Können bei der Konverterstruktur auch sehr kurze Einschaltzeiten des aktiven Schalters auftreten - dies ist beim Einsatz in Prozessorversorgungen nicht zu erwarten - so kann auch die Abtastung in der Freilaufphase kurz nach dem Abschalten des aktiven Schalters erfolgen. Durch Zwischenschaltung eines Impedanzwandlers kann das Messsignal (Sensorsignal) nie-50 derohmig abgegriffen werden und kann zum Laden (bzw. Entladen) eines Kondensators mit geringer Zeitkonstante verwendet werden. Die Verbindung Messsignal-Messwertspeicherkondensator ist nur kurzzeitig geschlossen, anschließend bleibt der Wert im Kondensator bis zur nächsten Tastung erhalten und dient als Stromistwertsignal. Es ergeben sich damit die folgenden Vorteile: die Störungen werden ausgeblendet, es ist kein Tiefpassfilter erforderlich, 55 es gibt nur eine geringe Verzögerung, da man die Stromistwerterfassung nun als Proportionali- 3

AT 414 065 B tätsglied, eventuell ergänzt durch eine Totzeit, die man entsprechend der halben Abtastperiode wählen wird, modellieren kann. Der eigentliche Stromwert ist nicht von Bedeutung, daher ist die Genauigkeit des Sensors irrelevant und es sind daher keine teueren Bauelemente und Aufwände für den Stromsensor erforderlich. Auch Änderungen des Signals, bedingt durch Temperatur-5 einfluss oder Alterung, sind bedeutungslos, da diese langsam erfolgen. Der Spannungsregler gibt den Stromsollwert so vor, dass die geforderte Ausgangsspannung entsteht. Das Verfahren ist daher leicht integrierbar (die Absolutwerte der integrierten Widerstände sind von Charge to Charge großen Schwankungen unterworfen) und kann in den integrierten Steuerschaltkreis implementiert werden. Weiters ist das Verfahren unabhängig von dem verwendeten Stromsen-io sor.

Das dargestellte Verfahren kann auch in der Photovoltaik zur Stromerfassung, unabhängig vom gewählten Verfahren zur MPP Bestimmung, verwendet werden. Auch hier ist ein störunempfindliches Messverfahren für die relevanten Größen von entscheidender Bedeutung. Auch hier kann 15 die gegenständliche Erfindung einen Beitrag leisten.

Selbstverständlich kann die dargestellte abtastende Stromerfassung auch als Istwerterfassung in einem PFC (power factor corrector) eingesetzt werden. Auch hier spielt der eigentliche Wert des Stromes (wie bei einem Suchverfahren zur Suche des Punktes maximaler Leistung) keine 20 Rolle, da auch hier eine überlagerte Regelung (die der Zwischenkreisspannung) wirksam ist.

Das Verfahren ist auch zur Erfassung des Stromes zur reinen Strommaximierung bei der Batterieladung sinnvoll, um störungsfrei den Strom zu erfassen. 25 Aus meßtechnischen Gründen wird man, wenn von der Schaltungstopolgie her möglich, die Stromerfassung in Serie mit der Konverterinduktivität legen, da dort der Strom nicht springen kann, oder in die Zuleitung zum Akkumulator bei einem Ladegerät. Befindet sich im Konverter eine Stromerfassung, zum Beispiel in Serie mit einem aktiven Schalter (zwecks Überstromschutz oder Kurzschlussschutz), so kann auch diese verwendet werden. 30

Die Figuren zeigen den prinzipiellen Aufbau (Fig.1), eine Prinzipschaltung für einen Tiefsetzer (Fig.2) und charakteristische Signalverläufe (Fig.3).

In Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Spannungsregelung mit unterlagerter Stromregelung 35 mit abtastender Stromwerterfassung gezeigt. Der Leistungsteil (1) besteht aus aktiven Schaltern, hier durch das Symbol für einen n-Kanal MOSFET symbolisiert, Dioden, Kondensatoren, Spulen und/oder gekoppelten Spulen und dient der Umformung der Eingangsspannung (V1) in die Ausgangsspannung (V2), wobei anzumerken ist, daß sich der Begriff Ein- und Ausgangsspannung bei einem bidirektionalen Wandler auf die gerade durch die Betriebsart wirksame 40 (gemittelte) Energieflussrichtung bezieht. Der oder die aktiven Schalter werden durch die Treiberstufe (2) angesteuert. Auch bei den Schaltnetzteilstrukturen, wie Sperrwandler, Buckkonverter u.s.w., die im Gegensatz zu Halb- oder Vollbrückenwandlerstrukturen nur einen aktiven Schalter benötigen, kann zur Verringerung der Durchlassverluste der Diode (der Dioden z.B. bei einem Durchflusswandler) ein aktiver Schalter während der Leitphase der Diode parallel ge-45 schaltet werden (synchrone Gleichrichtung). Der Modulator (3), üblicherweise ein Pulsweitenmodulator (PWM), formt das analoge Ausgangssignal des Stromreglers (4) in ein digitales Steuersignal um. Der Stromregler wird, symbolisiert durch die Addition (5), mit der Differenz aus Sollwert, vorgegeben durch den Spannungsregler (6) und dem Signal V|Mc vom Messwertspeicherkondensator (7) als Regeldifferenz angesteuert. Der Abtaster (8) legt kurzfristig das nieder-50 ohmige Ausgangssignal des Stromsensors (9), gesteuert durch ein Zeitglied (Monoflop) (10), das vom Modulator (3) getriggert wird, an den Messwertspeicherkondensator (7), dessen La-dung/Entladung mit der Zeitkonstante Messwertspeicherkondensatorkapazität mal Ausgangswiderstand des Stromsensors (9) erfolgt; hierbei soll auch der Leitwiderstand des Abtasters (8) inkludiert sein. Der Stromsensor bildet ein Abbild eines Stromverlaufs im Konverter (1), z.B. 55 Stromverlauf durch eine Induktivität oder Stromverlauf durch einen oder mehrere aktive Schalter

Claims (4)

1. 4 AT 414 065 B nach. Die Spannungserfassung (11) erzeugt das Spannungsistwertsignal Vvs, mit dem in der Subtraktionsstufe (12) das Regeldifferenzsignal für den Spannungsregler (6) gewonnen wird. Figur 2 stellt einen Buck Konverter zur Verringerung der Eingangsspannung V1 dar. Als Strom-5 sensor ist ein Shunt in Serie mit der Induktivität geschaltet, dessen (kleine) Spannung über eine Differenzverstärkerstufe verstärkt und auf Masse bezogen wird. Ein MOSFET (das andere Symbol soll andeuten, dass es sich hier um einen kleineren handelt, als der, der im Leistungskreis verwendet wird) dient als Schalter (8) zum Laden des Messwertspeicherkondensators (7). Der Ausgangswiderstand des Differenzverstärkers wirkt in Serie mit dem Durchschaltwiderstand io des MOSFETs als Ladewiderstand für den Messwertspeicherkondensator (7). Figur 3 stellt charakteristische Signalverläufe dar und zwar von oben nach unten: Stromverlauf durch die Induktivität (3.a), Steuersignal für den aktiven Schalter (3.b), Abtastsignal (3.c) und Spannungsverlauf am Messwertspeicherkondensator. 15 Bezugszeichenaufstellung Vi Eingangsspannung des Konverters V2 Ausgangsspannung des Konverters 20 Viaac Kondensatorspannung an (7) Vs Steuersignal für aktiven Schalter VT Steuersignal für Abtaster iL Strom im Konverter, beispielhaft durch eine Spule Τσ Zeitverzögerung zwischen Steuersignal und Abtastsignal 25 (1) Leistungsteil (2) Treiberstufe (3) Modulator (4) Stromregler (5) Summierstelle 30 (6) Spannungsregler (7) Kondensator, Messwertspannungskondensator (8) Abtaster (9) Stromsensor (10) Zeitglied 35 (11) Spannungserfassung (12) Summierstelle Patentansprüche: 40 1. Verfahren zur Istwerterfassung des Stromes in leistungselektronischen Konvertern, wie Schaltnetzteil oder Power Factor Corrector (PFC) mit einer, der Spannungsregelung unterlagerten Stromregelung mit einem dem Stromverlauf proportionalem Signal dadurch gekennzeichnet, dass von diesem Signal ein niederohmiges Abbild gebildet wird und dieses 45 kurz (in bezug auf die Konvertertaktperiode) mit einem elektronischen Schalter, dessen Ansteuerung in einem festen Abstand zu einem Ansteuersignal eines aktiven Schalters des Konverters steht, an einen Kondensator gelegt wird und dieses Signal als Istwert für die Stromregelung verwendet wird. so 2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Verzögerung zwischen dem Einschaltzeitpunkt des aktiven Schalters und der Abtastung entsprechend der Dauer der beim Schalten auftretenden Störung erfolgt.
2. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Verzögerung zwischen 55 dem Ausschaltzeitpunkt des aktiven Schalters und der Abtastung entsprechend der Dauer 5 AT 414 065 B der beim Schalten auftretenden Störung erfolgt.
3. 4. Vorrichtung zur Regelung von leistungselektronischen Konvertern bestehend aus Leistungsteil, Treiberstufe(n) zur Ansteuerung der aktiven Schalter des Leistungsteils, Modula- 5 torstufe zur Erzeugung der Schaltsignale mit fixer oder variabler Frequenz, unterlagerter Stromregelschleife, bestehend aus Stromregler und vorgeschaltetem Strom-Soll-Ist-Wert Vergleich, überlagerter Spannungsregelschleife, bestehend aus Spannungsregler und vorgeschaltetem Spannungs-Soll-Istwert Vergleich, Messwertspannungskondensator, einem zusätzlichen elektronischen Schalter, Stromsensor, Zeitglied, Spannungserfassung, da-io durch gekennzeichnet, dass mit dem Ausgangssignal der Modulatorstufe, ein Zeitglied an gesteuert wird, das nach einer vorgebbaren Zeit einen kurzen Ansteuerimpuls zum Durchschalten des zusätzlichen elektronischen Schalters erzeugt, der das Signal des niederohmigen Spannungsabbilds des Stromsignals, erzeugt durch den Stromsensor, dem zur Impedanzanpassung ein Impedanzwandler nachgeschaltet sein kann, an den Messwertspan-15 nungskondensator legt, dessen Spannungswert direkt oder über eine Anpassungsschal tung als Referenzsignal für den Strom-Soll-Ist-Wert Vergleich dient.
4. 5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitglied mit Monoflops realisiert wird. 20 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 25 30 35 40 45 50 55