AT414065B

AT414065B - HIGHLY DYNAMIC AND ROBUST CONTROL SYSTEM FOR POWER ELECTRONIC CONVERTERS, ESPECIALLY OF DC / DC CONVERTERS

Info

Publication number: AT414065B
Application number: AT1322002A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2002-01-28
Filing date: 2002-01-28
Publication date: 2006-08-15
Also published as: ATA1322002A

Description

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AT 414 065 BAT 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.Switch mode power supplies often require highly dynamic regulation of the output voltage. This can be required on the one hand with regard to input fluctuations, on the other hand with respect to load changes. Microcontrollers and digital signal processors place high demands on the constancy of the operating voltage, but at the same time they are loads with a rapidly changing power requirement.

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.The regulation of a switched-mode power supply can only take place via the switching frequency and / or the pulse width. In this case, single-loop voltage regulators which act directly on the controlling input variable of the converter, that is to say on pulse frequency and / or pulse duty factor, are usual. In addition, double-loop control concepts are also common. In this case, a current controller is subordinated to the voltage regulator. This subordinate current regulator may u.U. improve the dynamics of the system and limit overcurrents by the current monitoring provided. Particularly often used in switching power supplies of the Peak Current Control (PCC), but for stability reasons, a limitation of the duty cycle requires. The Average Current 15 Control (ACC) corresponds to a subordinate current control known from drive technology, but is too slow when used in highly dynamic power supplies. The current in the converter has essentially a triangular or trapezoidal shape, in the spectrum therefore caused by the clocking portions of integer multiples of the switching frequency. The averaging takes place via low passes of the corresponding cutoff frequency and order. The settling of these 20 filters delays the averaging and therefore the actual value acquisition for the control loop.

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.Current-regulated DC-DC converters are known from the patent literature. In WO 91/16756 (SIEMENS), a DC voltage corresponding to the peak value of the current is obtained by means of an additional 25-phase switch clocked in phase with the electronic switches. The goal here is a current limit, especially in systems with the risk of short circuits at the output. EP 415 244 A2 (INTERNATIONAL SEMICONDUC-TOR CORP.) Deals with a circuit for optimum generation of the compensation ramp with a minimum required slope. The compensation ramp is necessary for stability reasons in the Peak Current Control. EP 744 816 A2 (AT & T) describes a Power Factor Corrector in which the current sense resistor is divided to improve the quality of the correction and an input capacitor (the EMI filter) is connected to the center tap of the resistor. EP 1 014 549 A2 (INTERSIL CORP.) Deals with a current detection of the current in the inductance of a converter. The current is detected by means of an RC element, which is connected in parallel to the inductance. The procedure assumes a balance to work properly. The current detection serves as actual value acquisition for a peak current control.

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- 3To improve the dynamics, the following procedure is proposed. The current is detected by any known method. This is e.g. a shunt, a Hall sensor, or a SenseFET with a connected amplifier. Thus, a signal which is essentially a 40-bit image of the current is generated. Especially at the switching times of the electronic switch of the converter, there are often not inconsiderable disturbances of the measuring signal. (Also these disturbances must be eliminated by the otherwise downstream filter.) With the new procedure the current measuring signal is scanned shortly after switching on the active switch of the converter. The delay time between the turn-on time of the active 45 switch and the sampling will be made in accordance with the duration of the above-mentioned disturbance. If very short switch-on times of the active switch can occur in the converter structure - this is not to be expected when using in processor supplies - sampling in the freewheeling phase can also take place shortly after the active switch is switched off. By interposing an impedance converter, the measuring signal (sensor signal) can never be tapped to -0 ohms and can be used for charging (or discharging) a capacitor with a short time constant. The connection measurement signal storage capacitor is only briefly closed, then the value in the capacitor is retained until the next keying and serves as Stromistwertsignal. This results in the following advantages: the disturbances are blanked out, no low-pass filter is required, 55 there is only a slight delay, since the current actual value detection is now used as a proportional 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.AT 414 065 B member, possibly supplemented by a dead time, which one will choose according to the half sampling period, can model. The actual current value is not important, therefore, the accuracy of the sensor is irrelevant and therefore no expensive components and expenses for the current sensor are required. Also changes in the signal caused by temperature or aging are meaningless as they are slow. The voltage regulator specifies the current setpoint so that the required output voltage is generated. The method is therefore easy to integrate (the absolute values of the integrated resistors vary greatly from batch to batch) and can be implemented in the integrated control circuit. Furthermore, the process is independent of the Stromsen-io sor used.

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.The illustrated method can also be used in photovoltaics for current detection, regardless of the chosen method for MPP determination. Here, too, an interference-insensitive measurement method is of decisive importance for the relevant variables. Again, the subject invention can make a contribution.

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.Of course, the illustrated scanning current detection can also be used as actual value detection in a PFC (power factor corrector). Again, the actual value of the current (as in a search method for finding the point of maximum power) does not play a role, since here too a superimposed control (the DC link voltage) is effective.

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. 30The method is also useful for detecting the current for pure power maximization in battery charging, to capture the current without interference. 25 For metrological reasons, if possible from the circuit topology, the current detection in series with the converter inductance, since there the current can not jump, or in the lead to the accumulator in a charger. If there is current detection in the converter, for example in series with an active switch (for overcurrent protection or short-circuit protection), this can also be used. 30

Die Figuren zeigen den prinzipiellen Aufbau (Fig.1), eine Prinzipschaltung für einen Tiefsetzer (Fig.2) und charakteristische Signalverläufe (Fig.3).The figures show the basic structure (Figure 1), a schematic circuit for a buck (Figure 2) and characteristic waveforms (Figure 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 SchalterIn Figure 1, the basic structure of a voltage control with subordinate current control 35 is shown with scanned current value detection. The power section (1) consists of active switches, symbolized here by the symbol for an n-channel MOSFET, diodes, capacitors, coils and / or coupled coils and serves to convert the input voltage (V1) into the output voltage (V2), wherein is that the term input and output voltage in a bidirectional converter refers to the current through the mode of operation 40 (average) power flow direction. The one or more active switches are driven by the driver stage (2). Even with the switched-mode power supply structures, such as flyback converters, buck converters, etc., which require only one active switch in contrast to half or full bridge converter structures, an active switch during the conduction phase of the diode can parallel to reduce the forward losses of the diode (the diodes eg at a forward converter) -45 are switched (synchronous rectification). The modulator (3), usually a pulse width modulator (PWM), converts the analog output signal of the current regulator (4) into a digital control signal. The current controller is symbolized by the addition (5), with the difference of setpoint, given by the voltage regulator (6) and the signal V | Mc from the measured value memory capacitor (7) controlled as a control difference. The sampler (8) briefly places the low-ohmic output signal of the current sensor (9), controlled by a timer (monoflop) (10), which is triggered by the modulator (3), to the measured value memory capacitor (7), whose charge / Discharge with the time constant Meßwertpeicherkondensatorkapazität times output resistance of the current sensor (9) is carried out; In this case also the flow resistance of the scanner (8) should be included. The current sensor forms an image of a current profile in the converter (1), e.g. 55 Current profile through an inductance or current flow through one or more active switches

Claims

4 AT 414 065 B after. The voltage detection (11) generates the voltage actual value signal Vvs, with which in the subtraction stage (12) the control difference signal for the voltage regulator (6) is obtained. FIG. 2 shows a buck converter for reducing the input voltage V1. As a current sensor, a shunt is connected in series with the inductance whose (small) voltage is boosted via a differential amplifier stage and related to ground. A MOSFET (the other symbol indicates that this is a smaller one than the one used in the power circuit) serves as a switch (8) for charging the measurement storage capacitor (7). The output resistance of the differential amplifier acts in series with the on-resistance io of the MOSFET as a charging resistor for the measured value memory capacitor (7). FIG. 3 shows characteristic signal curves from top to bottom: current profile through the inductance (3.a), control signal for the active switch (3.b), sampling signal (3.c) and voltage profile at the measured value memory capacitor. 15 Reference symbol Vi Input voltage of the converter V2 Output voltage of the converter 20 Viaac Capacitor voltage on (7) Vs Control signal for active switch VT Control signal for sampler iL Current in the converter, for example by a coil Τσ Time delay between control signal and sampling signal 25 (1) Power unit (2) Driver stage (3) Modulator (4) Current Regulator (5) Totalizer 30 (6) Voltage Regulator (7) Capacitor, Voltage Sensing Capacitor (8) Sampler (9) Current Sensor (10) Timer 35 (11) Voltage Detector (12) Totalizer Claims: 40 1. Method for actual value detection of the current in power electronic converters, such as switching power supply or Power Factor Corrector (PFC) with a voltage control subordinate current control with a current-proportional signal characterized in that a low-impedance image of this signal is formed and this 45 short (with respect the converter clock period) with e inem electronic switch whose drive is at a fixed distance to a drive signal of an active switch of the converter, is applied to a capacitor and this signal is used as an actual value for the current control. 2. A method according to claim 1, characterized in that a delay between the switch-on of the active switch and the sampling takes place in accordance with the duration of the disturbance occurring during switching.

3. The method according to claim 1, characterized in that a delay between 55 the switch-off of the active switch and the sampling according to the duration 5 AT 414 065 B occurring during switching disturbance takes place.

4. Device for controlling power electronic converters consisting of power unit, driver stage (s) for driving the active switch of the power unit, modular stage for generating the switching signals with fixed or variable frequency, subordinate current control loop, consisting of current controller and upstream current setpoint Actual value comparison, superimposed voltage control loop, consisting of voltage regulator and upstream voltage target actual value comparison, voltage measuring capacitor, an additional electronic switch, current sensor, timer, voltage detection, da-io characterized in that the output of the modulator stage, a timer on is generated after a predetermined time, a short drive pulse for switching through the additional electronic switch, the nachges the signal of the low impedance voltage image of the current signal, generated by the current sensor, the impedance matching an impedance converter can be switched on the measuring voltage clamping capacitor sets whose voltage value is used directly or via a matching scarf device as a reference signal for the current-target-actual value comparison.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the timer is realized with monoflops. 20 For 1 sheet of drawings 25 30 35 40 45 50 55