AT411505B - Verfahren zur maximierung des wirkungsgrades zweistufiger stromversorgungssysteme - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selbsttätigen Maximierung des Wirkungsgrades eines zweistufigen Stromversorgungssystems wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist. 



   Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden Stromversorgungen   z. B.   im Bereich der Telekommunikation zweistufig, d. h. mit einer ein- oder dreiphasigen   Pulsgleichrichter-Eingangsstufe   mit Hochsetzstellercharakteristik (durch Vorschaltinduktivitäten eingeprägter Eingangsstrom) und einer hochfrequent   potentialgetrennten     Gleichspannungs-Gleichspannungswandler- (DC/DC-Konverter)-   Ausgangsstufe mit Tiefsetzstellercharakteristik (durch eine Ausgangsinduktivität eingeprägter Ausgangsstrom) realisiert. Für derartige Systeme besteht die Forderung nach Einsetzbarkeit in einem weiten Eingangsspannungsbereich, typ. zwischen 90V und 270V Phasenspannung.

   Weiters wird typ. eine Verstellbarkeit der Ausgangsspannung im Bereich 46 bis 56V gefordert um bei Batteriepufferung des Ausgangs abhängig vom Ladezustand der Batterie auftretende Spannungsschwankungen tolerieren zu können. 



   Entsprechend der Forderung nach weitem Eingangsspannungsbereich erfolgt die Auslegung der Systeme unter Berücksichtigung der Hochsetzstellerfunktion der Eingangsstufe derart, dass die Ausgangsspannung der Gleichrichterstufe, d. h. die Zwischenkreisspannung, hinreichend weit über dem Wert der Amplitude der maximalen Netzspannung liegt. Dieser Spannungswert wird innerhalb des gesamten Eingangs- und Ausgangsspannungsbereichs beibehalten, was insbesondere bei kleiner Eingangsspannung zu einer hohen relativen Einschaltdauer der Leistungstransistoren des Pulsgleichrichters und damit zu relativ hohen Leitverlusten führt. Weiters resultieren dann aufgrund des hohen Eingangsstromes relativ hohe Schaltverluste und insgesamt eine signifikante Verringerung des Wirkungsgrades.

   Bei kleiner Ausgangsspannung führt die konstante Zwischenkreisspannung zu einer relativ hohen schaltfrequenten Schwankung des Ausgangsstromes der in einem höheren Induktivitätswert der Ausgangsinduktivität und der Dimensionierung der Ausgangsfeinfilterung Berücksichtigung finden muss. Weiters treten auch hier zufolge des bei kleiner Ausgangsspannung und konstanter Ausgangsleistung höheren Ausgangsstromes höhere, wirkungsgradvermindernden Schaltverluste der zwischenkreisseitigen Leistungshalbleiter des DC/DC Konverters auf. 



   Seitens der mechanischen Konstruktion sind für die Leistungshalbleiter der Pulsgleichrichterstufe, der   Primär- und   der Sekundärseite der DC/DC-Konverterstufe meist getrennte Kühlkörper vorgesehen. Die durch diese Kühlkörper geführte Luftmenge wird so gesteuert, dass eine fest vorgegebene Kühlblechtemperatur nicht überschritten wird. Für geringe Verluste liegt damit nur eine relativ geringe Lüfterdrehzahl und so vorteilhaft eine nur geringe Lärmentwicklung durch die Stromversorgung vor. Allerdings tritt damit bei Teillast eine nur geringe Sperrschichttemperatur der Ausgangsdioden des DC/DC-Konverters und damit verglichen mit Vollast bzw. maximaler Sperrschichttemperatur eine relativ hohe Diodendurchlassspannung auf, die den Teillastwirkungsgrad verschlechtert. 



   Aus der EP 0 488 088 A1 ist eine Schaltung zur Erkennung und Verhinderung der thermischen Überlastung eines Bauelementes bekannt, wobei die an einem pn-Übergang abgegriffene Spannung als Temperaturmessignal dient. Allerdings wird kein Verfahren zum Einsatz der Temperaturinformation zur Minimierung der Durchlassverluste des Bauelementes beschrieben. 



   Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades für den gesamten Eingangsspannungs- und Ausgangsleistungsbereich einer zweistufigen Stromversorgung zu schaffen. 



   Dies wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent- nehmen. 



   Grundgedanke der Erfindung ist die Zwischenkreisspannung und die Schaltfrequenzen der Ein- und Ausgangsstufe nicht auf einem konstanten Wert zu halten sondern abhängig von der jeweiligen Eingangsspannungsamplitude und dem jeweiligen Ausgangsspannungswert zu verändern. 



  Weiters wird der Sollwert der Temperatur des die Ausgangsdioden tragenden Kühlkörpers aus- gangsstromabhängig geändert. Die Veränderung der Zwischenkreisspannung erfolgt erfindungs- gemäss so, dass bei einphasig gespeisten Systemen die Zwischenkreisspannung mit fallender Amplitude der Netzspannung und bei dreiphasiger Speisung mit fallendem Maximalwert der Amplituden der drei verketteten Netzspannungen soweit verringert wird, dass noch eine für rasche 

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 Stromänderungen erforderliche Differenz zwischen Netzspannungsamplitude bzw. Maximalwert der Amplituden der verketteten Netzspannung und der Zwischenkreisspannung bestehen bleibt. 



  Dabei wird die Zwischenkreisspannungsverringerung abhängig von der zu bildenden Ausgangsspannung nach unten derart begrenzt, dass der jeweilige Ausgangsspannungwert mit einem Tastverhältnis gebildet wird, das einen für die Ausregelung von Störungen   (z. B. Belastungsänderun-   gen) hinreichenden Abstand vom maximal zulässigen Tastverhältniswert aufweist. Entsprechend der resultierenden relativen Absenkung oder Erhöhung der Zwischenkreisspannung gegenüber dem Nennwert werden weiters auch die Schaltfrequenzen der Eingangsstufe und der Ausgangsstufe in gleicher Weise relativ gegenüber dem Nennwert geändert, womit die schaltfrequenten Schwankungen des Netzstromes und des Ausgangsstromes auf einem näherungsweise konstanten Wert gehalten und die Schaltverluste beider Stufen verringert bzw. der Wirkungsgrad der Energieumformung erhöht wird.

   Schliesslich wird der Sollwert der   Ausgangsdiodenkühlkörpertem-   peratur mit abnehmendem Mittelwert des Ausgangsstromes derart erhöht, dass unabhängig vom jeweiligen Ausgangsstromniveau eine konstante Sperrschichttemperatur der Dioden nahe der zulässigen Grenztemperatur resultiert und so eine relativ geringe Diodendurchlassspannung bzw. geringe Diodenleitverluste erreicht werden. 



   Wie eine nähere Analyse anhand von Verlustmodellen der Stromversorgung zeigt, resultiert bei Betrieb einer zweistufigen Stromversorgung nach dem erfindungsgemässen Verfahren eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Energieumformung von typ. 0. 5% und somit im durchlaufenden Betrieb eine signifikante Verringerung der Energiekosten, die, da das Verfahren nur auf für die Regelung der Stromversorgung ohnehin zu erfassende Grössen Bezug nimmt, im wesentlichen ohne Erhöhung des Realisierungsaufwandes der Steuerung erreicht wird. 



   Eine weitere Ausführungsvariante beschreibt der Kennzeichenteil des Patentanspruches 2. 



  Hiebei erfolgt die Wahl der Betriebsparameter nicht nach vorgegebenen Kennlinien, sondern die auf maximalen Wirkungsgrad führenden Betriebsparameter Zwischenkreisspannung, Schaltfrequenz der Eingangsstufe, Schaltfrequenz der Ausgangsstufe und   Ausgangsdiodenkühlkörpertem-   peratur werden durch eine On-line-Optimierung ermittelt. Es wird so vorteilhaft   z. B.   auch der Einfluss der Innentemperatur der Stromversorgung, die Ummagnetisierungs- und Kupferverluste in Vorschaltinduktivitäten und Hochfrequenztransformatoren auf den Wirkungsgrad berücksichtigt.

Claims (2)

1. Die On-line-Optimierung erfolgt nach einem an sich bekannten Verfahren derart, dass für einen Betriebspunkt der Stromversorgung, d. h. für gegebene Ausgangsspannung und gegebenen Ausgangsstrom die aus dem Netz aufgenommene Leistung vor und nach einer geringfügigen Änderung eines oder mehrerer Betriebsparameter verglichen und der Änderungsschritt dann als im Sinne der Optimierung erfolgreich angesehen wird, wenn er in einer Verringerung der Eingangsleistung bzw. Erhöhung des Wirkungsgrades resultiert.

   Der zulässigen Variationsbereich der Betriebsparameter wird dabei durch, über den Nennwerten liegende Maximalwerte für die Zwischenkreisspannung und die Schaltfrequenzen und die entsprechend Patentanspruch 1 festgelegte Ausgangsdiodenkühlkörpertemperatur nach oben und durch die für das Verfahren nach Patentanspruch 1 resultierenden Werte für Zwischenkreisspannung, Schaltfrequenz der Eingangsstufe und Schaltfrequenz der Ausgangsstufe nach unten beschränkt.

   PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Maximierung des Wirkungsgrades einer zweistufigen, an einer Eingangs- spannung mit weitem Toleranzbereich liegenden und mit variabler Ausgangsspannung be- triebenen Stromversorgung gebildet aus einer Pulsgleichrichtereingangsstufe mit Hoch- setzstellercharakteristik, einem Spannungszwischenkreis und einer Ausgangsstufe mit Tiefsetzstellercharakteristik dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung und die Schalffrequenzen der Ein- und Ausgangsstufe abhängig von der jeweiligen Ein- gangsspannungsamplitude und dem jeweiligen Ausgangsspannungssollwert geändert werden und weiters der Sollwert der Temperatur des die Ausgangsdioden tragenden Kühl- körpers ausgangsstromabhängig geändert wird, wobei die Veränderung der Zwischen- kreisspannung derart erfolgt,

   dass sie bei einphasig gespeisten Systemen mit fallender Amplitude der Netzspannung und bei dreiphasiger Speisung mit fallenden Amplituden der <Desc/Clms Page number 3> drei verketteten Netzspannungen verringert wird, wobei die Verringerung derart erfolgt, dass stets eine für eine rasche Eingangsstromänderung erforderliche Differenz von Zwi- schenkreisspannung und Netzspannungsamplitude bzw.

   Amplitude der verketteten Netz- spannungen bestehen bleibt und weiters die Zwischenkreisspannungsverringerung ab- hängig von der zu bildenden Ausgangsspannung derart nach unten begrenzt wird, dass der jeweilige Ausgangsspannungwert mit einem Tastverhältnis gebildet wird, das einen für die Ausregelung von Störungen hinreichenden Abstand vom maximal zulässigen Tastverhält- niswert der Ausgangsstufe aufweist und weiters entsprechend der resultierenden Absen- kung oder Erhöhung der Zwischenkreisspannung gegenüber dem Nennwert auch die Schaltfrequenzen der Eingangsstufe und der Ausgangsstufe proportional gegenüber dem Nennwert abgesenkt oder erhöht werden,

   womit die schaltfrequente Schwankung des Netzstromes und des Ausgangsstromes auf einem näherungsweise konstanten Wert gehalten wird und schliesslich der Sollwert der Temperatur des die Ausgangsdioden tra- genden Kühlkörpers mit abnehmendem Mittelwert des Ausgangsstromes derart erhöht wird, dass unabhängig vom jeweiligen Ausgangsstromniveau eine möglichst konstante Sperrschichttemperatur der Dioden nahe der zulässigen Grenztemperatur resultiert.
2. 2. Verfahren zur Maximierung des Wirkungsgrades einer zweistufigen, an einer Eingangs- spannung mit weitem Toleranzbereich liegenden und mit variabler Ausgangsspannung be- triebenen Stromversorgung gebildet aus einer Pulsgleichrichtereingangsstufe mit Hoch- setzstellercharakteristik, einem Spannungszwischenkreis und einer Ausgangsstufe mit Tiefsetzstellercharakteristik dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter Zwi- schenkreisspannung, Schaltfrequenz der Eingangsstufe, Schaltfrequenz der Ausgangsstu- fe und Temperatur des Ausgangsdiodenkühlkörpers durch eine an sich bekannte On-line- Optimierungsstrategie ermittelt werden,

   weiche einen oder mehrere Betriebsparameter schrittweise geringfügig ändert und für gegebene Ausgangsleistung der Stromversorgung die aus dem Netz aufgenommene Leistung nach einer geringfügigen Änderung eines Be- triebsparameters mit der Leistungsaufnahme vor Änderung des Betriebsparameters ver- gleicht und den Betriebsparameter auf dem geänderten Wert belässt wenn eine Verringe- rung der Eingangsleistung resultiert, und die Änderung des Betriebsparameters zurück- nimmt, wenn sich die Eingangsleistung erhöht, wobei die zulässige Variation der Betriebs- parameter derart beschränkt wird, dass eine thermische Überlastung oder ein Überschrei- ten der zulässigen Sperrspannungsbeanspruchung von Leistungshalbleitern der Ein- oder Ausgangsstufe sicher vermieden wird und noch eine,

   für rasche Eingangsstromänderun- gen hinreichende Differenz zwischen der Amplitude der verketteten Netzspannungen und der Zwischenkreisspannung bestehen bleibt und weiters sichergestellt ist, dass der jeweili- ge Ausgangsspannungwert durch die Ausgangsstufe mit einem Tastverhältnis gebildet werden kann, das einen, für die Ausregelung von Störungen hinreichenden Abstand vom maximal zulässigen Tastverhältnis der Ausgangsstufe aufweist.