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In leistungselektronischen Systemen ist der Strom eine wichtige Messgrösse, einerseits als Regelgrösse, andererseits als Überwachungsgrösse. Durch die steilen Schaltflanken des Konverters sind die zu messenden Signale jedoch durch Störungen überlagert. Der Strom in den Konverterspulen nimmt in der Schaltperiode des zugehörigen aktiven Schalters zu und wieder ab. Oft ist nur der Mittelwert des Stroms von Interesse.
Um störarm den Strom zu erfassen, ist es sinnvoll, den Messzeitpunkt mit dem Schaltzeitpunkt des Konverterschalters zu verknüpfen. In praktischen Anwendungen ändert sich das Tastverhältnis von einer Taktperiode zur nächsten nur geringfügig. Bestimmt man daher die aktuelle Einschaltdauer des aktiven Schalters während einer Taktperiode, so kann man daraus die halbe Einschaltdauer bestimmen und in der nächsten Taktperiode zu diesem Zeitpunkt den Stromsensor abtasten.
Damit misst man einerseits nach dem Abklingen der Störung bedingt durch den Einschaltvorgang, anderseits erfasst man den Mittelwert des Stroms.
Die Messung erfolgt also immer in der der Bestimmung der Einschaltdauer folgenden Taktperiode. Dies kann bei sehr schnellen Regelungen durch die Einführung einer Totzeit zu Problemen führen. Ist jedoch die Zeitkonstante der Stromänderung gross gegenüber der Taktzeit des Konverters, stellt dies kein Problem dar. Blickt man auf den Stand der Technik der Verfahren zur Auffindung des Punktes maximaler Leistung bei nichtlinearen Quellen (z. B. Solargeneratoren), so ist die Bedeutung eines störunempfindlichen Messverfahrens für den Strom von entscheidender Bedeutung. Hier kann die gegenständliche Erfindung einen Beitrag leisten.
Aus messtechnischen Gründen wird man, wenn von der Schaltungstopolgie her möglich, die Stromerfassung in Serie mit der (oder einer) 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 weil der Konverter mit current mode control geregelt wird), so kann auch diese verwendet werden.
Die Ermittlung des Abtastzeitpunktes kann über eine digital oder analog realisierte Vorrichtung erfolgen.
In US 4, 263, 548 (CARLSON) ist ein Messgerät zur Messung der Amplitude eines Strom- oder Spannungspulses zeitlich versetzt zu einem Auslöseimpuls dargestellt. Das Messgerät dient dabei zur Erfassung von Signalparametern zur Überprüfung von Pulsgeneratoren. Bei der vorliegenden Erfindung steht jedoch die störarme Erfassung eines Stroms, der von diesem Signal getrennt ist, im Vordergrund. Es geht dabei nicht, den Spannungs- oder Stromwert an einer bestimmten Stelle eines Pulssignals, sondern den Strom in einem leistungselektronischen Konverter möglichst störarm zur weiteren Verarbeitung zu erfassen. Dazu wird der Strom versetzt zu den Schalthandlungen des Konverters erfasst, um die Beeinflussung durch die Schalthandlungen gering zu halten.
Die vorgeschlagene Triggerung der Messvorrichtung durch das Steuersignal für den aktiven Schalter des Konverters und die Generierung des Messzeitpunktes aus diesem, stimmt zwar mit US 4, 263, 548 (CARLSON) überein, erfolgt aber aus einem gänzlich anderen Ansatz. Es müsste im Rahmen der gegenständlichen Erfindung auch ein nicht pulsförmiges Steuersignal verwendet werden, es könnte aus den auftretenden Störungen alleine auch der günstigste Abtastzeitpunkt für die Stromerfassung ermittelt werden.
In DE 196 49 788 (BOSCH) ist eine Strom-Messvorrichtung für belastete Gleichspannungswandler dargestellt. Dabei wird ein gegen das Bezugspotential fliessender Strom erfasst und als bezugspotentialbezogenes Mass für den Ausgangsstrom verwendet. Ziel der Messvorrichtung ist die Umformung des Strommesssignals in ein Signal, das auf Masse bezogen ist, spezielle Massnahmen der störarmen Erfassung kommen dabei aber nicht vor.
Bei der digitalen Realisierung kann man die Einschaltzeit des aktiven Schalters als Torsignal für einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler verwenden, der mit einem deutlich hochfrequenteren Signal während dieser Zeit von einem Startwert (naheliegend bei 0) vorwärts zählt. Mit dem Beginn der nächsten Einschaltzeit wird der Zähler mit einem doppelt so raschen Zähltakt rückwärts gezählt.
Erreicht der Zählerstand wieder den Startwert, wird der Strommesswert übernommen.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Zeitpunktes für die Stromerfassung mit einem Vor-/Rückwärtszählers besteht darin, nachdem (während der Einschaltzeit des aktiven Schalters) der Zähler, beginnend von einem Startwert (naheliegend bei 0), vorwärts gezählt hat, den Zählwert durch zwei zu dividieren (dies ist eine einfache Schiebeoperation des Zählerwertes) und mit dem
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Beginn der nächsten Einschaltzeit den Zähler rückwärts zu zählen, bis der Zählerstand wieder den Startwert erreicht ; dann wird der Strommesswert übernommen.
Zur Bestimmung des Zeitpunktes für die Stromerfassung kann auch eine analoge Realisierung verwendet werden. Dazu wird man einen Integrator während der Einschaltzeit laden und während der nächsten Einschaltzeit mit doppelter Geschwindigkeit entladen. Erreicht der Integrator wieder den ursprünglichen Startwert, so wird der Strommesswert übernommen. Diese Vorrichtung benötigt einen Kondensator, umschaltbare Stromquellen und einen Komparator. Sie ist leicht z. B. in CMOS Technik zu implementieren und daher einem Schaltnetzteil IC beizufügen.
Als Hauptanwendung für dieses Strommessverfahren werden im besonderen die DC Antriebstechnik und Schaltungen zur Suche des Punktes maximaler Leistung nichtlinearer Quellen betrachtet.
Auch wenn die obige Beschreibung die Messung während der Einschaltzeit des aktiven Schalters nahelegt, kann auch zur halben Ausschaltzeit die Messung durchgeführt werden. Die Vorrichtung muss dann analog zur obigen Beschreibung umgestellt werden. Klarerweise können natürlich auch Zähl- und Integrationsrichtung umgekehrt werden, ohne dass eine prinzipielle Änderung der Funktionsweise erfolgt.
Befinden sich in einem Konverter mehrere aktive Schalter zur Energieumsetzung, die zu unterschiedlichen Zeiten takten, dann ist die Methodik entsprechend anzuwenden.
Fig. 1 zeigt einen typischen Stromverlauf durch eine Konverterspule und strichliert das abgetastete Stromsignal. Figur 2 stellt den grundsätzlichen Zeitverlauf dar. (2. a) zeigt den Stromverlauf (iM), wie er typisch von der Messvorrichtung aufgenommen wird ; die Störungen treten immer zu den Schaltzeitpunkten auf. Darunter (2. b) ist das Ansteuersignal (d) angedeutet. Ein high bedeutet, der aktive Schalter ist eingeschaltet. In (2. c) ist der zugehörige Verlauf der Integratorspannung (z) (kann aber auch als Zählerstand interpretiert werden) aufgetragen. Während der Einschaltzeit des aktiven Schalters steigt (z) und im nächsten Taktzyklus wird (z) doppelt so schnell wieder abgebaut. Wenn der Startwert erreicht wird, wird das Stromsensorsignal übernommen und zur Weiterverarbeitung freigegeben.
Dies ist in (2. d) durch das Signal (mu) angedeutet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Erfassung des Stroms in einem getakteten, im Schaltbetrieb betriebenen elektronischen Leistungsuniformer mit Auswerteelektronik, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom bei der halben Einschaltzeit, getriggert vom Einschaltzeitpunkt, des aktiven
Schalters, oder zur halben Sperrzeit getriggert vom Ausschaltzeitpunkt, des aktiven Schal- ters, erfasst wird.
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In power electronics systems, the current is an important measurement variable, on the one hand as a controlled variable and on the other hand as a monitoring variable. Due to the steep switching edges of the converter, the signals to be measured are overlaid by interference. The current in the converter coils increases and decreases in the switching period of the associated active switch. Often only the mean value of the current is of interest.
In order to record the current with little interference, it makes sense to link the measurement time with the switching time of the converter switch. In practical applications, the duty cycle changes only slightly from one clock period to the next. Therefore, if you determine the current duty cycle of the active switch during one cycle period, you can determine half the duty cycle and scan the current sensor at this time in the next cycle period.
On the one hand, this measures after the fault has subsided due to the switch-on process, and on the other hand, the average of the current is recorded.
The measurement is therefore always carried out in the cycle period following the determination of the duty cycle. In the case of very fast regulations, this can lead to problems by introducing a dead time. However, if the time constant of the current change is large compared to the cycle time of the converter, this is not a problem. If one looks at the state of the art of the methods for finding the point of maximum power with non-linear sources (e.g. solar generators), the meaning is one fault-sensitive measuring method for the current is of crucial importance. The present invention can make a contribution here.
For metrological reasons, if possible from the circuit topology, the current detection will be placed in series with the (or a) converter inductor, since the current cannot jump there, or in the supply line to the battery in a charger. If there is a current detection in the converter, for example in series with an active switch (for overcurrent protection or because the converter is controlled with current mode control), this can also be used.
The sampling time can be determined using a digital or analog device.
US Pat. No. 4,263,548 (CARLSON) shows a measuring device for measuring the amplitude of a current or voltage pulse at a time offset from a trigger pulse. The measuring device is used to record signal parameters for checking pulse generators. In the present invention, however, the focus is on the low-interference detection of a current which is separate from this signal. It is not a matter of detecting the voltage or current value at a specific point in a pulse signal, but rather the current in a power electronic converter with as little interference as possible for further processing. For this purpose, the current offset to the switching operations of the converter is recorded in order to keep the influence of the switching operations low.
The proposed triggering of the measuring device by the control signal for the active switch of the converter and the generation of the measuring time therefrom corresponds to US 4, 263, 548 (CARLSON), but takes place from a completely different approach. In the context of the present invention, a non-pulse-shaped control signal would also have to be used; the most favorable sampling time for the current detection could also be determined from the disturbances that occurred.
DE 196 49 788 (BOSCH) shows a current measuring device for loaded direct voltage converters. A current flowing against the reference potential is detected and used as a reference-related measure for the output current. The aim of the measuring device is to convert the current measurement signal into a signal that is related to ground, but special measures of low-interference detection do not occur.
In the digital implementation, the switch-on time of the active switch can be used as a gate signal for an up-down counter, which counts up with a significantly higher-frequency signal during this time from a start value (obvious at 0). At the beginning of the next switch-on time, the counter is counted down with a counting cycle twice as fast.
When the meter reading reaches the start value again, the current measured value is accepted.
A further possibility for determining the time for the current detection with an up / down counter is after (during the switch-on time of the active switch) the counter has counted upwards, starting from a start value (obvious at 0), the count value by two divide (this is a simple shift operation of the counter value) and with the
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Start the next switch-on time to count the counter backwards until the counter reading reaches the start value again; then the current measured value is adopted.
An analog implementation can also be used to determine the point in time for the current detection. To do this, an integrator will be charged during the switch-on time and discharged at double speed during the next switch-on time. When the integrator reaches the original start value again, the current measured value is adopted. This device requires a capacitor, switchable current sources and a comparator. It is easily z. B. to implement in CMOS technology and therefore attach a switching power supply IC.
The main application for this current measurement method is considered in particular the DC drive technology and circuits for searching the point of maximum power of non-linear sources.
Even if the above description suggests the measurement during the switch-on time of the active switch, the measurement can also be carried out at half the switch-off time. The device must then be converted analogously to the description above. Of course, the counting and integration direction can of course also be reversed without a fundamental change in the mode of operation.
If there are several active switches for energy conversion in a converter, which cycle at different times, the methodology must be applied accordingly.
Fig. 1 shows a typical current profile through a converter coil and dashed the sampled current signal. FIG. 2 shows the basic time profile. (2. a) shows the current profile (iM) as it is typically recorded by the measuring device; the faults always occur at the switching times. Below (2. b) the control signal (d) is indicated. A high means that the active switch is switched on. The corresponding curve of the integrator voltage (z) (but can also be interpreted as a counter reading) is plotted in (2. c). During the switch-on time of the active switch (z) increases and in the next clock cycle (z) it is broken down twice as quickly. When the start value is reached, the current sensor signal is accepted and released for further processing.
This is indicated in (2.d) by the signal (mu).
PATENT CLAIMS:
1. Device for detecting the current in a clocked electronic power uniform operated in switching operation with evaluation electronics, characterized in that the current at half the switch-on time, triggered by the switch-on time, of the active
Switch, or triggered at half the blocking time from the switch-off time, of the active switch.