BE1020014A5

BE1020014A5 - Werkwijzen en systeem voor het berekenen van modelparameters voor een te modelleren spoel.

Info

Publication number: BE1020014A5
Application number: BE2012/0054A
Authority: BE
Inventors: Mike Irena Georges Wens; Jef Thone
Original assignee: Mindcet Bvba
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2013-03-05
Also published as: US20140372059A1; EP2807589A1; US10901015B2; EP2807589B8; WO2013110145A1; EP2807589B1

Abstract

Werkwijze voor het berekenen van modelparameters voor een spoel, omvattende: het inbouwen van de spoel in een omvormer met een schakelelement; het aansluiten van een resistieve last; het aanleggen van een ingangsspanning; het aansturen van het schakelelement voor het verkrijgen van een periodiek variërende spanning over de spoel; het meten van ten minste een eerste en tweede grootheid die respectievelijk representatief zijn voor de spanning over de stroom door de spoel; het op basis van de gemeten eerste en tweede grootheid bepalen van ten minste één spanningswaarde en van ten minste één stroomwaarde; het berekenen van een verliesweerstand en/of een verliesvermogen van de spoel op basis van de ten minste één spanningswaarde en de ten minste één stroomwaarde.

Description

Werkwijze en systeem voor het berekenen van modelparameters voor een te modelleren spoel

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en een systeem voor het berekenen van modelparameters voor ten minste één te modelleren spoel. Deze ten minste één te modelleren spoel kan deel uitmaken van een transformator.

De eigenschappen van een spoel zijn afhankelijk van de aangelegde spanning over de spoel en/of de aangelegde stroom doorheen de spoel, en zijn in het bijzonder afhankelijk van de amplitude, frequentie en golfvorm van deze signalen. Een bekende techniek voor het meten van een spoel gebruikt een zogenaamde LCR meter. In een LCR meter wordt als signaalbron een sinusoïdale golf gebruikt. Volgens nog andere technieken wordt de B-H curve geplot en gemeten.

Wanneer een spoel gebruikt wordt in een schakeling, zijn de signalen vaak geen sinusoïdale golven maar eerder blokgolven of zaagtanden en kunnen hoge stromen en/of spanningen optreden. In dergelijke omstandigheden leert de praktijk dat een LCR meter geen goede waarden oplevert voor het accuraat modelleren van de spoel. Het opmeten van een B-H curve levert betere modellen maar heeft het nadeel complex te zijn en geen rekening te houden met de frequentieafhankelijkheid van deze parameters.

US 6,321,169 beschrijft een equivalente schakeling en een analysewerkwijze voor het karakteriseren van een spoel met een ferrietmateriaal.

Laili Wang et al: "Design or Ultrathin LTCC Coupled Inductors for Compact DC/DC Converters", IEEE Transactions on Power Electronics, IEEE Service Center, Piscataway, NJ, US beschrijft een aantal analytische modellen voor het berekenen van de zelfinductantie, de lekinductantie en een koppelcoëfficiënt.

Erickson RW et al: "A multiple-winding magnetics model having directly measurable parameters", Power Electronics Specialists Conference, 1998, beschrijft een algemeen model voor een transformator met meerdere wikkelingen en een gekoppelde inductor waarin alle parameters rechtstreeks kunnen worden gemeten.

Hayes J G et al: "Comparison of Test Methods for Characterization of High-Leakage Two-Winding Transformers", IEEE Transactions on Industry Applications, IEEE Service Center, Piscataway, NJ, US beschrijft een werkwijze voor het karakteriseren van inductieve en resistieve elementen van een transformator gebruikmakend van een differentiële en cumulatieve serie-koppeltest.

US 2005/017707 beschrijft een werkwijze en inrichting voor het identificeren en analyseren van hoog vermogensverbruikpieken over een schakelinrichting.

De onderhavige uitvinding heeft als doel een systeem en werkwijze van het in de aanhef genoemde type te verschaffen waarmee een spoel op een in de praktijk goed uitvoerbare en accurate manier gemodelleerd kan worden in een breed bereik, dit wil zeggen een systeem en werkwijze waarmee modelparameters, zoals de inductantie, en de verliezen en niet-lineariteiten van een spoel voor een breed toepassingsbereik gemodelleerd kunnen worden.

Daartoe onderscheidt de werkwijze volgens de uitvinding zich daarin dat deze de volgende stappen omvat. De ten minste één te modelleren spoel wordt ingebouwd in een DC naar DC omvormer met ten minste één schakelelement. Een resistieve last wordt aangesloten tussen de uitgangsklemmen van de DC naar DC omvormer. Een ingangsspanning wordt aangelegd aan de ingangsklemmen van de DC naar DC omvormer. Het eerste schakelelement wordt aangestuurd volgens een ingestelde frequentie en bedrijfscyclus (duty cycle) voor het verkrijgen van een periodiek in de tijd variërende spanning over een spoel van de ten minste één spoel, één en ander zodanig dat de spanning over de spoel ten minste gedurende een deel van een periode van de periodieke spanning afhankelijk is van de ingangsspanning. Vervolgens wordt ten minste een eerste grootheid gemeten die representatief is voor de spanning over de spoel, en ten minste een tweede grootheid die representatief is voor de stroom door de spoel, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode. Op basis van de gemeten eerste grootheid wordt ten minste één spanningswaarde voor de spanning over de spoel bepaald. Op basis van de gemeten tweede grootheid wordt ten minste één stroomwaarde voor de stroom door de spoel bepaald. Vervolgens wordt een verliesweerstand en/of een verliesvermogen van de spoel berekend op basis van de ten minste één spanningswaarde en de ten minste één stroomwaarde. Al naargelang de toepassingen waarvoor de spoel bedoeld is, kunnen de hierboven genoemde stappen herhaald worden voor een verschillende ingangsspanning en/of voor een verschillende frequentie en/of voor een verschillende bedrijfscyclus en/of voor een verschillende resistieve last.

Door het inbouwen van de spoel in een DC naar DC omvormer wordt een realistische werkomgeving van de spoel gecreëerd. Verder laat een dergelijke werkomgeving toe om een aantal ingangsparameters zoals de ingangsspanning, de frequentie, de bedrijfscyclus (duty cycle), en de weerstandswaarde van de last te variëren al naargelang het werkbereik waarover men de spoel wenst te karakteriseren. Verder kan door gebruik te maken van opeenvolgende metingen een nauwkeurig resultaat verkregen worden.

Volgens een voordelige uitvoering omvat de werkwijze verder het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste één eerste en tweede stroomwaarde voor de stroom door de spoel op respectievelijk een eerste en een tweede tijdstip van de opeenvolgende tijdstippen. Daarna wordtsde inductantie van de spoel berekend op basis van de spanningswaarde, de verliesweerstand en/of het verliesvermogen, en ten minste de eerste en tweede stroomwaarde.

Het verliesvermogen kan bijvoorbeeld berekend worden als een gemiddelde van het product van de spanning over de spoel en de stroom door de spoel, op basis van de metingen van de eerste en tweede grootheid op de opeenvolgende tijdstippen. Voor deze berekening bestrijken de opeenvolgende tijdstippen bij voorkeur in hoofdzaak een volledige periode. Volgens een mogelijke uitvoeringsvorm wordt het verliesvermogen als volgt berekend:

waarbij T de duur van een periode, i^it) de stroom door de spoel op tijdstip t, en uL(t) de spanning over de spoel op tijdstip t is.

Volgens een andere mogelijkheid wordt een benaderende formule gebruikt voor het berekenen van het verliesvermogen:

waarbij I^n overeenstemt met een eerste stroomwaarde gemeten op een eerste tijdstip t = 0 en Imax overeenstemt met een tweede stroomwaarde gemeten op een tweede tijdstip t tonj T de duur van een periode, ÜLgi een waarde van de spanning over de spoel tussen het eerste tijdstip t = 0 en het tweede tijdstip t = ton, en ULg2 een waarde van de spanning over de spoel tussen het tweede tijdstip t = ton en het einde van een periode t = T, en toff = T-ton is. Merk op dat ULgi/2 een gemiddelde spanning van zijn van een aantal opeenvolgende metingen, maar ook gebaseerd kan zijn op één meting indien ULgi/é in hoofdzaak constant, zoals typisch het geval zal zijn.

Volgens een voordelige uitvoeringsvorm wordt de verliesweerstand berekend als het quotiënt van het verliesvermogen en het kwadraat van een effectieve stroom door de spoel, waarbij de effectieve stroom berekend wordt aan de hand van de metingen van de tweede grootheid. De verliesweerstand wordt bijvoorbeeld berekend als

waarbij ILeff de effectieve stroom is.

De effectieve stroom kan bijvoorbeeld berekend worden als de RMS waarde voor de stroom door de spoel over de volledige periode T:

waarbij T de duur van een periode is, en iL(t) de stroom doorheen de spoel op tijdstip t is. Volgens een andere mogelijkheid wordt een benaderende formule gebruikt voor het berekenen van ILeff:

Volgens een voordelige uitvoeringsvorm wordt de inductantie berekend aan de hand van de volgende formule:

waarbij Imin overeenstemt met de eerste stroomwaarde gemeten op het eerste tijdstip t = 0, en Imax overeenstemt met de tweede stroomwaarde gemeten op het tweede tijdstip t = ton; ULgi overeenstemt met de spanningswaarde; en RLs de verliesweerstand is van de spoel . Merk op dat ULgi een gemiddelde spanning kan zijn van een aantal opeenvolgende metingen, maar ook gebaseerd kan zijn op één meting indien ULgi in hoofdzaak constant is, zoals typisch het geval zal zijn.

Voor het simuleren van een schakeling waarin de spoel is opgenomen, kan het model van figuur 11A gebruikt worden, dit wil zeggen een serieschakeling van een inductantie L en de verliesweerstand RLs-

De spanningswaarde wordt bij voorkeur berekend als een gemiddelde gebruikmakend van de metingen van de eerste grootheid. Volgens een voordelige uitvoering is het genoemde eerste deel van de periode het deel waarin de spoel wordt opgeladen, en heeft dit eerste deel een duur ton- De spanningswaarde kan dan berekend worden als

waarbij uL(t) de spanning is over de spoel op tijdstip t, en uL(t) bepaald wordt op basis van de metingen van de eerste grootheid.

Volgens een voordelige uitvoeringsvorm omvat de DC naar DC omvormer verder een tweede schakelelement, typisch een diode, in het bijzonder een Schottky of fast reverse recovery diode, of een actief schakelelement zoals een transistor. De DC naar DC omvormer is bij voorkeur één van de volgende: buck omvormer, boost omvormer, buck-boost omvormer, non-inverting buck-boost omvormer, series of parallel résonant omvormer, fly-back omvormer, füll of half bridge buck omvormer. Merk op dat deze lijst niet exhaustief is en dat varianten hiervan tevens binnen het kader van de uitvinding vallen. Voor de onderhavige uitvinding zal elke DC naar DC omvormer waarin een spoel ingebouwd kan worden zodanig dat de spanning over de spoel op aanstuurbare wijze wijzigt, in principe geschikt zijn. Verder begrijpt de vakman dat de onderhavige uitvinding tevens toepasbaar is voor het modelleren van één of meer spoelen van een transformator, en/of voor het modelleren van het gedrag van een transformator of van gekoppelde spoelen.

Volgens een verder ontwikkelde uitvoeringsvorm staat een uitgangsspanning over de resistieve last, en wordt de spoel zodanig ingebouwd dat de spanning over de spoel tijdens een deel van de periode in hoofdzaak gelijk is aan het verschil tussen de ingangsspanning en de uitgangsspanning. Op die manier zal de ingangsspanning gedurende dit deel van de periode de spanning over de spoel beïnvloeden, en vormt de ingangsspanning dus één van de parameters die gevarieerd kan worden om de spoel te karakteriseren.

Verder wordt het eerste schakelelement bij voorkeur zodanig ingebouwd dat de spanning over de spoel met dezelfde frequentie en duty cycle varieert als het signaal waarmee het eerste schakelelement aangestuurd wordt. Het eerste schakelelement kan bijvoorbeeld geschakeld worden tussen een ingangsklem van de DC naar DC omvormer en de spoel. Verder is bij voorkeur een ingangscondensator geschakeld tussen de ingangsklemmen van de DC naar DC omvormer en een uitgangscondensator tussen de uitgangsklemmen van de DC naar DC omvormer.

Ook heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een opslagmedium voor het opslaan van computerinstructies voor het uitvoeren van één of meer stappen van een uitvoeringsvorm van de werkwijze van de uitvinding. Zo kunnen de computerinstructies bijvoorbeeld instructies bevatten voor het op basis van de gemeten eerste grootheid bepalen van een spanningswaarde voor de spanning over de spoel, het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste een stroomwaarde voor de stroom door de spoel, en het berekenen van een verliesvermogen en/of verliesweerstand en/of inductantie van de spoel op basis van de ten minste één spanningswaarde, en ten minste de één stroomwaarde. Deze instructies berekenen bij voorkeur een verliesweerstand en/of verliesvermogen en/of inductantie op één van de hierboven beschreven manieren.

Ten slotte heeft de uitvinding betrekking op een systeem van het in de aanhef genoemde type dat zich als volgt onderscheidt. Het systeem omvat een DC naar DC omvormer met ten minste een eerste schakelelement, en daarin ingebouwd de te modelleren spoel. Tussen de uitgangsklemmen van de omvormer is een resistieve last geschakeld. Verder zijn voorzien: een spanningsbron voor het verschaffen van een ingangsspanning aan de ingangsklemmen van de omvormer, sturingsmiddelen voor het aansturen van het eerste schakelelement volgens een frequentie en duty cycle voor het verkrijgen van een periodiek in de tijd variërende spanning over de spoel, eerste meetmiddelen voor het meten van een eerste grootheid die representatief is voor de spanning over de spoel, tweede meetmiddelen voor het metén van een tweede grootheid die representatief is voor de stroom door de spoel, en computermiddelen voor het op basis van de gemeten eerste grootheid bepalen van ten minste één spanningswaarde voor de spanning over de spoel; voor het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste één stroomwaarde voor de stroom door de spoel; en voor het berekenen van een verliesweerstand en/of verliesvermogen en/of inductantie van de spoel op basis van de ten minste één spanningswaarde, en de ten minste één stroomwaarde.

Volgens voordelige uitvoeringsvormen is het systeem verder ingericht om één of meer van de rekenstappen uit te voeren die beschreven worden in de werkwijzeconclusies en/of is de DC naar DC omvormer voorzien van één of meer van de maatregelen beschreven in de werkwijzeconclusies.

De uitvinding zal nader toegelicht worden aan de hand van een aantal geenszins beperkende uitvoeringsvoorbeelden van de werkwijze en het systeem volgens de uitvinding met verwijzing naar de tekeningen in bijlage, waarin:

Figuur 1 een schematisch aanzicht van een uitvoeringsvorm van een systeem volgens de uitvinding is;

Figuur 2 een stroomschema ter illustratie van de meetstappen van een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is;

Figuur 3 een eerste uitvoeringsvorm van een meetopstelling volgens de uitvinding toont;

Figuur 4 een grafiek is die schematisch de gemeten spanning over de spoel en de gemeten stroom door de spoel illustreert voor de uitvoeringsvorm van figuur 3;

Figuur 5 een tweede uitvoeringsvorm van een meetopstelling Figuur 6 een derde uitvoeringsvorm van een meetopstelling volgens de uitvinding illustreert;

Figuur 7 een vierde uitvoeringsvorm van een meetopstelling volgens de uitvinding illustreert;

Figuur 8 een vijfde uitvoeringsvorm van een meetopstelling volgens de uitvinding illustreert;

Figuur 9 een zesde uitvoeringsvorm van een meetopstelling volgens de uitvinding illustreert;

Figuur 10 een zevende uitvoeringsvorm van een meetopstelling volgens de uitvinding illustreert; en

Figuren 11A en 11B respectievelijk een model voor een spoel en voor een transformator illustreren.

Een eerste uitvoeringsvorm van een systeem en werkwijze volgens de uitvinding zal nu geïllustreerd worden aan de hand van figuren 1 en 2. Het systeem omvat een DC naar DC omvormer 1 met een eerste schakelelement 2. De te modelleren spoel 3 is ingebouwd in de DC naar DC omvormer 1. De omvormer 1 heeft ingangsklemmen 4a, 4b en uitgangsklemmen 5a, 5b. Tussen de uitgangsklemmen 5a, 5b is een resistieve last 6 met een instelbare weerstand RL geschakeld. Verder is een instelbare spanningsbron 7 voorzien voor het verschaffen van een ingangsspanning Uin aan de ingangsklemmen 4a, 4b van de omvormer. Verder zijn niet geïllustreerde sturingsmiddelen voorzien voor het verschaffen van een signaal Φ voor het aansturen van het eerste schakelelement 2 met een frequentie fsw en een bedrijfscyclus (duty cycle) δ. Verder zijn meetmiddelen 8 voorzien voor het meten van de spanning over de spoel en de stroom door de spoel. Deze meetmiddelen zijn bij voorkeur ingericht om de spanning over de spoel uL en de stroom door de spoel iL te meten op opeenvolgende tijdstippen die een aantal periodes T=l/fsw bestrijken. Merk op dat het mogelijk is dat de meetmiddelen 8 niet rechtstreeks uL en iL meten, maar andere grootheden meten die representatief zijn voor respectievelijk uL en iL. Verder is een computermiddel 9 voorzien voor het berekenen van het verliesvermogen Pioss, de verliesweerstand RLS, en de inductantie L van de spoel.

Na het bouwen van de meetopstelling van figuur 1, dienen de grenzen bepaald te worden voor de ingangsparameters Uin, fsw, δ en Rl om de meetruimte te definiëren, zie stap 20 van figuur 2. In een volgende stap 21 wordt een waarde ingesteld voor Uin, fsw en δ op basis van de gedefinieerde meetruimte, en in een tweede stap 22 wordt de weerstand RL van de last ingesteld. Vervolgens wordt geverifieerd of de omvormerschakeling werkzaam is in een discontinue stroommodus (Discontinuous Current Mode, DCM) of in een continue stroommodus (Continuous Current Mode, CCM). In de in figuur 2 geïllustreerde uitvoering worden enkel metingen verricht in de CCM modus. Indien vastgesteld wordt dat de schakeling zich in een DCM modus bevindt, worden de ingangsparameters aangepast in stappen 21 en/of 22. Merk echter op dat het ook mogelijk is om de werkwijze volgens de uitvinding toe te passen wanneer de omvormer zich in een DCM modus bevindt.

Na het meten van uL en iL in stap 24, worden de ingangsparameters aangepast in stappen 21 en/of 22. De vakman zal begrijpen dat men hier op vele verschillende manieren tewerk kan gaan en bijvoorbeeld eerst de ingangsspanning Uin kan variëren, terwijl de andere ingangsparameters fsw, δ en RL constant worden gehouden, waarna men fsw en/of δ kan variëren om ten slotte RL te variëren. Uiteraard zijn ook andere sequenties denkbaar.

Volgens een eerste variant die geïllustreerd is in figuur .3, is de DC naar DC omvormer een buck omvormer. Het eerste schakelelement 102 is geschakeld tussen een ingangsklem 104a en een eerste klem van de spoel 103. De spoel 103 is in serie geschakeld met het eerste schakelelement 102. De andere klem van de spoel 103 is met tussenvoeging van stroommeetmiddelen 108b verbonden met een uitgangsklem 105a. Verder is een tweede schakelelement in de vorm van een Schottky diode 110 geschakeld tussen de ene klem van de spoel 103 en de ingangsklem 104b. Ook zijn spanningsmeetmiddelen 108a voorzien voor het meten van de spanning uL over de spoel. Tussen de ingangsklemmen 104a, 104b is een ingangscondensator Cdec geschakeld. Tussen uitgangsklemmen 105a, 105b is een uitgangscondensator Cout geschakeld. Naast de meetmiddelen voor iL en ul kunnen bijkomende meetmiddelen 111, 112, 113 zijn voorzien voor het meten van respectievelijk de uitgangsspanning uout, de uitgangsstroom iout, de ingangsstroom Iin en de ingangsspanning Uj.n ter controle van de andere metingen.

Figuur 4 illustreert schematisch typische meetresultaten voor iL en uL in functie van de tijd. In deze schematische grafiek is het stroomverloop lineair voorgesteld, terwijl de vakman begrijpt dat dit verloop typisch exponentieel is. Verder is het spanningsverloop schematisch als een blokgolf voorgesteld, en begrijpt de vakman dat de spanning over de spoel niet helemaal constant is tijdens het laden (ton) en ontladen (toff) van de spoel. De stroom iL door de spoel varieert tussen een minimumwaarde Imin en een maximumwaarde Imax. Tijdens het laden is de spanning over de spoel uL gelijk aan Uj.n - uout> en tijdens het ontladen is uL gelijk aan - uout -ud, waarbij ud de spanning over de diode is.

Voor de uitvoeringsvorm van figuur 3 kan het verliesvermogen berekend worden aan de hand van de volgende formule:

waarbij T de periode, iL(t) de stroom door de spoel op tijdstip t en uL(t) de spanning over de spoel op tijdstip t is.

Volgens een andere mogelijkheid kan het verliesvermogen berekend worden met de volgende benaderende formule:

waarbij ULgi het gemiddelde van de spanning over de spoel tussen het eerste tijdstip t = 0 en het tweede tijdstip t = ton, Ulç2 het gemiddelde van de spanning over de spoel tussen het tweede tijdstip t = ton en het einde van een periode t = T, en t0ff = T-t0n is.

De verliesweerstand kan dan berekend worden als:

waarbij ILeff de effectieve stroom is. In deze formule kan ILeff berekend worden als de RMS waarde van de stroom door de spoel aan de hand van de volgende formule:

of kan de effectieve stroom berekend worden aan de hand van de benaderende formule:

De inductantie kan dan berekend worden aan de hand van de volgende formule:

Merk op dat voor de variant van figuur 3 verder de volgende formules gelden: 0 < t < ton: UL(t) = Uin - Uout(t) ton < t < T: UL(t) = - Uout(t)- Ud(t) waarbij u<j(t) de spanning over de Schottky diode 110 is.

Men zou dus ook de uitgangsspanning uout(t) kunnen meten als benadering voor de spanning over de spoel. In de praktijk geniet het doorgaans de voorkeur om zowel uL(t) als uout(t) te meten.

In de in figuur 3 geïllustreerde variant zijn de meetmiddelen 108 voor het meten van de stroom door de spoel in serie geschakeld met de spoel. Volgens een andere variant zou men een kleine weerstand in serie kunnen schakelen met de uitgangscondensator Cout en de stroom door deze weerstand kunnen meten. Indien de stroom door de weerstand iR is, dan wordt iL = iR + iout· In plaats van iL te meten zou men dus ook iR en iout kunnen meten.

Figuren 5-10 tonen een aantal andere mogelijke meetopstellingen die gebruikt kunnen worden in een uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding. Figuur 5 illustreert een boost omvormer, figuur 6 een buck-boost omvormer, figuur 7 een non-inverting buck-boost omvormer en figuur 8 een series résonant omvormer. Aangezien de meet- en berekeningsprincipes analoog zijn aan deze die beschreven werden aan de hand van figuur 2, zullen deze niet nader worden toegelicht.

Ten slotte illustreren figuren 9 en 10 nog twee alternatieve meetopstellingen die bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden voor het karakteriseren van transformatoren. Figuur 9 illustreert een fly-back omvormer, en figuur 10 een füll bridge buck omvormer. In beide schakelingen wordt zowel de spanning ULi over de primaire wikkeling als de spanning UL2 over de secundaire wikkeling gemeten. Daarnaast wordt de stroom ILi door de primaire wikkeling, en de stroom IL2 door de secundaire wikkeling gemeten. Merk op dat in de schakeling van figuur 10 twee identieke wikkelingen in serie zijn geschakeld. Aangezien deze wikkelingen identiek zijn volstaat het om de stroom door één van deze wikkelingen, en de spanning over één van deze wikkelingen te meten. Figuur 11B illustreert een mogelijk model voor een transformator waarin alle verliezen van de transformator gemodelleerd zijn aan de primaire zijde. Merk op dat het ook mogelijk is om een model te voorzien waarin de verliezen gemodelleerd worden aan de secundaire zijde. In het geïllustreerde model is NI het aantal wikkelingen aan de primaire zijde, en N2 het aantal wikkelingen aan de secundaire zijde. Het model omvat verder een magnetisatie-inductantie LM ten gevolge van de einde permeabiliteit van het kernmateriaal van de transformator, een verliesweerstand RM ten gevolge van de kern, dit wil zeggen ten gevolge van de zogenaamde ijzerverliezen, een equivalente lekinductantie Leq ten gevolge van de eindige koppeling tussen de primaire en de secundaire wikkeling, en een equivalente verliesweerstand Req ten gevolge van de serieweerstand van de primaire en secundaire wikkelingen. De vakman begrijpt dat de parameters van het model LM, RM, Leq en Req berekend kunnen worden in functie van de gemeten spanningen en stromen ULi, ILi, UL2 en IL2 aan de hand van gelijkaardige formules als deze die hierboven werden gepresenteerd voor het modelleren van één enkele spoel. Opnieuw zal het mogelijk zijn om een meer nauwkeurige of een benaderende formule te gebruiken.

Als voorbeeld van de werkwijze volgens de uitvinding werd een commerciële spoel gemodelleerd met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding. De fabrikant vermeldt als modelparameters L = 150 μΗ, RLS = 68 mQ bij f = 0 Hz (DC) ,

Imax = 4 A. Deze spoel werd vervolgens opgemeten met behulp van een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding. De resultaten waren als volgt: L = 144 μΗ, RLS = 320 mQ, ILeff = 830 mA; bij f = 10 kHz en δ = ton/T = 0,5. Dit toont aan dat de bestaande modellen in circuitsimulaties geen goede resultaten zullen opleveren in tegenstelling tot spoelen die gemodelleerd zijn volgens een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding. Immers, de spoelen worden nooit gebruikt bij 0 Hz (DC) maar typisch bij significant hogere frequenties.

De uitvinding is niet beperkt tot de hierboven beschreven uitvoeringsvoorbeelden en de vakman zal begrijpen dat vele wijzigingen en modificaties denkbaar zijn binnen het kader van de uitvinding dat enkel bepaald wordt door de hiernavolgende conclusies.

Claims

1. Werkwijze voor het berekenen van modelparameters voor ten minste één te modelleren spoel, welke werkwijze de volgende stappen omvat: - het inbouwen van de ten minste één te modelleren spoel in een DC naar DC omvormer met ten minste een eerste schakelelement; welke omvormer ingangsklemmen en uitgangsklemmen heeft; - het aansluiten van een resistieve last tussen de uitgangsklemmen van de DC naar DC omvormer; - het aanleggen van een ingangsspanning aan de ingangsklemmen van de omvormer; - het aansturen van het eerste schakelelement volgens een frequentie en bedrijfscyclus (duty cycle) voor het verkrijgen van een periodiek in de tijd variërende spanning over een spoel van de ten minste één te modelleren spoel, welke spanning ten minste gedurende een deel van een periode afhankelijk is van de ingangsspanning; - het meten van ten minste een eerste grootheid die representatief is voor de spanning over de spoel, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode; - het meten van ten minste een tweede grootheid die representatief is voor de stroom door de spoel, op opeenvolgende tijdstippen, van ten minste het genoemde deel van een periode; - het op basis van de gemeten eerste grootheid bepalen van ten minste één spanningswaarde voor de spanning over de spoel; - het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste één stroomwaarde voor de stroom door de spoel; - het berekenen van een verliesweerstand en/of een verliesvermogen van de spoel op basis van de ten minste één spanningswaarde en de ten minste één stroomwaarde; - het herhalen van de hierboven genoemde stappen voor een verschillende ingangsspanning en/of voor een verschillende frequentie en/of voor een verschillende bedrijfscyclus en/of voor een verschillende resistieve last.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, verder omvattende: - het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste één eerste en tweede stroomwaarde voor de stroom door de spoel op respectievelijk een eerste en een tweede tijdstip van de opeenvolgende tijdstippen van het genoemde deel van de periode; - het berekenen van een inductantie van de spoel op basis van de spanningswaarde, de verliesweerstand of het verliesvermogen, en ten minste de eerste en tweede stroomwaarde.

3. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de opeenvolgende tijdstippen in hoofdzaak een volledige periode bestrijken.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het verliesvermogen berekend wordt als een gemiddelde van het product van de spanning over de spoel en stroom door de spoel, op basis van de metingen in de opeenvolgende tijdstippen van de eerste en tweede grootheid, waarbij de opeenvolgende tijdstippen bij voorkeur in hoofdzaak een volledige periode bestrijken.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de verliesweerstand berekend wordt als het quotiënt van het verliesvermogen en het kwadraat van een effectieve stroom door de spoel, welke effectieve stroom berekend wordt aan de hand van de metingen van de tweede grootheid.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, de verliesweerstand berekend wordt als het quotiënt van het verliesvermogen en het kwadraat van een effectieve stroom door de spoel, welke effectieve stroom berekend wordt aan de hand van de eerste en tweede stroomwaarde.

7. Werkwijze volgens conclusies 2 en 5 of 6, met het kenmerk, dat de inductantie berekend wordt als

waarbij Imin overeenstemt met de eerste stroomwaarde gemeten op het eerste tijdstip (t = 0) en Imax overeenstemt met de tweede stroomwaarde gemeten op het tweede tijdstip (t = ton) ; ULgi overeenstemt met de spanningswaarde; en RLs de verliesweerstand is.

8. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de spanningswaarde berekend wordt als een gemiddelde gebruik makend van de metingen van de eerste grootheid.

9. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het genoemde eerste deel van de periode het deel is waarin de spoel wordt opgeladen, en dat dit eerste deel een duur ton heeft.

10. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de spanningswaarde berekend wordt als

waarbij uL(t) de spanning over de spoel is op tijdstip t, en uL(t) bepaald wordt op basis van de metingen van de eerste grootheid.

11. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de DC naar DC omvormer verder een tweede schakelelement omvat, bijvoorbeeld een diode.

12. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de DC naar DC omvormer één van de volgende is: buck omvormer, boost omvormer, buck-boost omvormer, non-inverting buck-boost omvormer, series of parallel résonant omvormer, fly-back omvormer, füll of half bridge buck omvormer.

13. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij een uitgangsspanning staat over de resistieve last en de spoel zodanig wordt ingebouwd dat de spanning over de spoel tijdens een deel van de periode in hoofdzaak gelijk is aan het verschil tussen de ingangsspanning en de uitgangspanning.

14. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het eerste schakelelement geschakeld wordt tussen een ingangsklem van de DC naar DC omvormer en de spoel.

15. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij een ingangscondensator geschakeld is tussen de ingangsklemmen van de DC naar DC omvormer en een uitgangscondensator geschakeld is tussen de uitgangsklemmen van de DC naar DC omvormer.

16. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de ten minste één spoel deel uitmaakt van een transformator met een eerste spoel en een tweede spoel, waarbij het meten van de ten minste één eerste grootheid omvat : - het meten van ten minste één eerste grootheid die representatief is voor de spanning over de eerste spoel; en - het meten van ten minste één eerste grootheid die representatief is voor de spanning over de tweede spoel; waarbij het meten van ten minste één tweede grootheid omvat: - het meten van ten minste één tweede grootheid die representatief is voor de stroom door de eerste spoel; en - het meten van ten minste één tweede grootheid die representatief is voor de stroom door de tweede spoel; waarbij het bepalen van de ten minste één spanningswaarde omvat : - het op basis van de gemeten eerste grootheid bepalen van ten minste één spanningswaarde voor de spanning over de eerste spoel; en - het op basis van de gemeten eerste grootheid bepalen van ten minste één spanningswaarde voor de spanning over de tweede spoel; waarbij het bepalen van de ten minste één stroomwaarde omvat : - het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste één stroomwaarde voor de stroom door de eerste spoel; en - het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste één stroomwaarde voor de stroom door de tweede spoel; waarbij het berekenen van een verliesweerstand en/of een verliesvermogen omvat: - het berekenen van een magnetisatie-inductantie en een magnetisatieverliesweerstand op basis van de ten minste één spanningswaarde voor de eerste en tweede spoel en de ten minste één stroomwaarde voor de eerste en tweede spoel; - het berekenen van een equivalente lekinductantie en een equivalente verliesweerstand op basis van de ten minste één spanningswaarde voor de eerste en tweede spoel en de ten minste één stroomwaarde voor de eerste en tweede spoel.

17. Opslagmedium waarop computerinstructies zijn opgeslagen voor het uitvoeren van ten minste de berekeningsstappen van de werkwijze van één der voorgaande conclusies.

18. Systeem voor het berekenen van modelparameters voor ten minste één te modelleren spoel, welk systeem omvat: - een DC naar DC omvormer (1) met ten minste een eerste schakelelement (2) en daarin ingebouwd de ten minste één te modelleren spoel (3); welke omvormer ingangsklemmen (4a, 4b) en uitgangsklemmen (5a, 5b) heeft; - een resistieve last (9) met een weerstand tussen de uitgangsklemmen van de omvormer; - een spanningsbron (7) geschakeld voor het verschaffen van een ingangsspanning aan de ingangsklemmen van de omvormer; - sturingsmiddelen vóór het aansturen van het eerste schakelelement volgens een ingestelde frequentie en bedrijfscyclus (duty cycle) voor het verkrijgen van een periodiek in de tijd variërende spanning over een spoel van de ten minste één te modelleren spoel, zodanig dat spanning ten minste gedurende een deel van een periode afhankelijk is van de ingangsspanning; - eerste meetmiddelen (8) voor het meten van ten minste een eerste grootheid die representatief is voor de spanning over de spoel, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode; - tweede meetmiddelen (8) voor het meten van ten minste een tweede grootheid die representatief is voor de stroom door de spoel, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode; - computermiddelen (9) voor het op basis van de gemeten eerste grootheid bepalen van ten minste één spanningswaarde voor de spanning over de spoel; voor het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste één stroomwaarde voor de stroom door de spoel; en voor het berekenen van een verliesweerstand en/of een verliesvermogen van de spoel op basis van de ten minste één spanningswaarde en de ten minste één stroomwaarde.

19. Systeem volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de computermiddelen verder ingericht zijn voor het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste een eerste en tweede stroomwaarde voor de stroom door de spoel op respectievelijk een eerste en een tweede tijdstip van de opeenvolgende tijdstippen van het genoemde deel van de periode; en voor het berekenen van een inductantie van de spoel op basis van de spanningswaarde, de verliesweerstand of het verliesvermogen, en ten minste de eerste en tweede stroomwaarde.

20. Model voor een spoel of een stel al dan niet gekoppelde spoelen berekend volgens de werkwijze van één van de conclusies 1-16 of gebruikmakend van een systeem volgens conclusie 18 of 19.