AT506762B1

AT506762B1 - Regelverfahren für zweistufige gleichspannungskonverter

Info

Publication number: AT506762B1
Application number: ATA593/2008A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Johannes Vinzenz Dipl Ing Fh Gragger
Original assignee: Fachhochschule Technikum Wien
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2012-05-15
Also published as: AT506762A1

Abstract

Im Rahmen dieser Erfindung werden Regelverfahren für zweistufige Gleichspannungswandler behandelt. Mit diesen lassen sich große Spannungsübersetzungsverhältnisse bei günstigen Betriebsbedingungen der Einzelkonverter realisieren. Die Eingangsspannung (U1) versorgt den ersten Konverter (GW1), der die Zwischenkreisspannung (UM) erzeugt. Die Ausgangsspannung (U2) des zweiten Konverters (GW2), dessen Eingangsspannung die Zwischenkreisspannung (UM) ist, wird einem Soll-Istwert Vergleich (1) zugeführt und mit dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) verglichen. Der Fehler beider Signale wird im Regler (R) bearbeitet und liefert das Reglertastverhältnis (dR). Aus der Eingangsspannung (U1) und dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) wird mithilfe eines Steuergesetzes (SG) das erforderliche Tastverhältnis (d1) für den ersten Konverter (GW1) bestimmt und der ersten Konverterstufe (GW1) zugeführt. In einer Additionsstufe (2) werden das Reglertastverhältnis (dR) und das Tastverhältnis (d1) des ersten Konverters (GW1) addiert und als Tastverhältnis (d2) dem zweiten Konverter (GW2) zugeführt.

Description

österreichisches Patentamt AT506 762B1 2012-05-15

Beschreibung

REGELVERFAHREN FÜR ZWEISTUFIGE GLEICHSPANNUNGSKONVERTER

[0001] Die Erfindung betrifft Verfahren zur Erzielung einer gewünschten Ausgangsspannung bei Kaskadierung von Gleichspannungswandlern, die über das Tastverhältnis beeinflusst werden, wobei an die erste Stufe die Eingangsspannung angeschlossen ist.

[0002] Die Gleichspannungsübersetzungsverhältnisse von transformatorlosen Gleichspannungskonvertern sind relativ eingeschränkt. Möchte man größere Übersetzungsverhältnisse erzielen, so kann man zwei Konverter in Kaskade schalten. Schaltet man zwei Buck Konverter in Serie, so erzielt man (mit idealen Bauelementen berechnet) und mit dem Tastverhältnis der ersten Stufe di und mit dem Tastverhältnis der zweiten Stufe d2 ein Spannungsverhältnis £/, M =—-=d, -d 2 Uy Weiters gilt für die Kaskadierung von zwei Boost Konvertern ., U2 1 Uy 1 ~dy —-— und von zwei \-d2 Buck-Boost, Cuk, Sepie, Zeta Konverter . , u2 dy M = — = —— Uy 1 -dy dl . Wie aus diesen Übersetzungsverhältnissen ersichtlich, sind nun im statio- \ — d2 nären Fall große Spannungsverhältnisse bei nicht extremem Tastverhältnis und daher günstigeren Bauteilbelastungen zu erzielen. Es sei hier angemerkt, dass die Konverter auch bidirektional ausgeführt werden können. Schwieriger jedoch gestaltet sich nun die Regelung. Will man die gewählten Bauteile optimal ausnutzen, so ist es sinnvoll die Spannungsübersetzungen der einzelnen Stufen entsprechend anzupassen. Es sind nun zwei unabhängige Regelschleifen erforderlich. Dies kann zu unerwünschten internen Schwingungen führen, besonders bei raschen Last- oder Eingangsspannungsänderungen. Der Entwurf der Regler ist entsprechend schwierig. Steuert man beide Stufen mit dem gleichen Tastverhältnis an, der von einem einzigen Regler geliefert wird, dann können diese Schwingungen vermieden werden. Um die Robustheit des Gesamtsystems zu verbessern wird nun die Anwendung der folgenden Regelverfahren vorgeschlagen.

[0003] Beide Stufen werden mit dem gleichen Tastverhältnis angesteuert, das aus der Addition eines aus dem Spannungsübersetzungsverhältnis bestimmten Steuergesetzes, das aus dem Sollwert der Ausgangsspannung und dem Wert der Eingangsspannung ein Tastverhältnis bestimmt und dem Ausgangssignal eines Reglers, der den Fehler der Ausgangsspannung verarbeitet, zusammengesetzt wird. Der Regler dient hier nur mehr zum Ausgleich des durch das Steuergesetz allein verursachten Fehlers. Der Anteil des Reglers an der Bestimmung des Tastverhältnisses ist entsprechend gering und muss auf kleine Werte begrenzt werden.

[0004] Das Steuergesetz für z.B. zwei kaskadierte Boost Konverter ergibt sich zu dSG= l- —^ , mit dSG als Tastverhältnis der Steuerung und u*2 als Ausgangsspannungssollwert. Weiters £/·> ergibt sich für zwei kaskadierte Buck Konverter dSG = — und für zwei Buck-Boost, Cuk, Sepie, t/l

Zeta Konverter dSG setzt werden. Jül . Bei beliebigen anderen Konvertern muss entsprechend einge- [0005] Das Steuergesetz kann aus den Zusammenhängen der Spannungen und Ströme im eingeschwungenen Zustand im Arbeitspunkt hergeleitet werden. Es kann dabei auch der Einfluss der Durchlassverluste der Konverterbauelemente mitberücksichtigt werden.

[0006] Zum Anfahren des Konverters ist ein Hochlauf erforderlich. Dies geschieht durch ein 1 /6 österreichisches Patentamt AT506 762B1 2012-05-15 langsames Ansteigen des Tastverhältnises bis zum erforderlichen (aus dem Steuergesetz ermittelten) Wert. Man kann den Hochlauf aber auch über eine Strombegrenzung erzielen. Die Strombegrenzung ist auch wichtig bei größeren Sollwertänderungen. Die durch die Strombegrenzung verursachte Nichtlinearität des Systems führt zu einer schwierigeren Bestimmung der erforderlichen Regelparameter. Die beiden folgenden Verfahren ermöglichen eine leichtere Einstellung der Reglerparameter.

[0007] Bei diesem zweiten Regelverfahren wird die erste Stufe mit einem Steuergesetz, das aus dem Sollwert der Ausgangsspannung und dem Wert der Eingangsspannung ein Tastverhältnis bestimmt, angesteuert. Die zweite Stufe wird durch einen Regler, der den Fehler der Ausgangsspannung verarbeitet, angesteuert.

[0008] Ein drittes Regelverfahren ergibt sich, wenn die erste Stufe mit einem Steuergesetz und die zweite Stufe mit der Summe aus Steuergesetz und dem Ausgangssignal eines Reglers, der den Fehler der Ausgangsspannung verarbeitet, angesteuert wird.

[0009] Die Entgegenhaltungen werden kurz betrachtet. Die Literaturstelle Xiangcheng, W. et al.: „A novel control for two-stage DC/DC Converter with fast dynamic response", 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, Band 1,20. - 25 Juni 2004, Seiten 43-48, zeigt einen Halbbrückenkonverter mit Potentialtrennung und M2 Gleichrichtung mit vorgeschaltetem Tiefsetzsteller. Dabei werden der vorgeschaltete Tiefsetzer und der Halbbrückenkonverter mit dem gleichen Tastverhältnis betrieben. Dies hat den Vorteil einer einfachen Ansteuerung hat aber den entscheidenden Nachteil, dass der kapazitive Mittelpunkt sich verschiebt.

[0010] In US 2004/174152 A1 (HWANG et al.) beschreibt einen Konverter, der bei geringer Last Steuerimpulse auslässt. Die Schaltung besteht aus einem PFC und einem nachgeschaltetem Hochsetzsteller. Jede Stufe wird geregelt.

[0011] In US 2002/0196006 A1 (HWANG) beschreibt eine Schaltung bestehend aus einem PFC und einem nachgeschaltetem Durchflusswandler. Der PFC wird auf übliche Art geregelt. Der nachfolgende Durchflusswandler mit einem P-Regler in Abhängigkeit der PFC Ausgangspannung geregelt. Nachteilig ist dabei, dass die eigentliche Ausgangsspannung nicht in die Regelung einbezogen wird.

[0012] US 2003/0137853 A1 (ZAITSU et al.) zeigt einen Halbbrückenkonverter mit Potentialtrennung und M2 Gleichrichtung mit vorgeschaltetem Tiefsetzsteller. Der Ausgangsspannungsregler liefert den Sollwert für den unterlagerten Zwischenkreisspannungsregler. Es handelt sich hierbei um eine klassische unterlagerte Regelung.

[0013] In keiner der Entgegenhaltungen wird im Gegensatz zur gegenständlichen Erfindung eine Kombination der Regelung mit einer Steuerung verwendet.

[0014] Das Problem zweistufige kaskadierte Gleichspannungswandler zu regeln wird erfin-dungsgemäß dadurch realisiert, dass das Tastverhältnis beider Gleichspannungswandler aus der Addition eines aus dem Spannungsübersetzungsverhältnis bestimmten Steuergesetzes, das aus dem Sollwert der Ausgangsspannung und dem Wert der Eingangsspannung ein Tastverhältnis bestimmt, und dem Ausgangssignal eines Reglers, der den Fehler der Ausgangsspannung verarbeitet, zusammengesetzt wird, oder dass der erste Gleichspannungswandler mit einem Steuergesetz, das aus dem Sollwert der Ausgangsspannung und dem Wert der Eingangsspannung ein Tastverhältnis bestimmt, angesteuert wird und der zweite Gleichspannungswandler durch einen Regler, der den Fehler der Ausgangsspannung verarbeitet, angesteuert wird, oder dass der erste Gleichspannungswandler mit einem Steuergesetz, das aus dem Sollwert der Ausgangsspannung und dem Wert der Eingangsspannung ein Tastverhältnis bestimmt, angesteuert wird und der zweite Gleichspannungswandler mit einem Tastverhältnis, das durch die Addition des Tastverhältniswerts des ersten Gleichspannungswandlers mit dem ergänzenden Tastverhältniswert des durch den Regler, der den Fehler der Ausgangsspannung verarbeitet, gebildet wird, angesteuert wird. Weiters gilt, dass der Betrag des Tastverhältniswerts, der durch den Regler gebildet wird, auf einen Bruchteil des durch das Steuergesetz gebildeten Tastverhältniswerts begrenzt wird. 2/6 österreichisches Patentamt AT506 762B1 2012-05-15 [0015] Die Figuren zeigen Blockbilder der verschiedenen Regelungskonzepte. Die Figuren 1 bis 3 zeigen die üblichen Regelungskonzepte für zweistufige kaskadierte Gleichspannungswandler. Die Figuren 4 bis 6 zeigen die hier vorgeschlagenen gegenständlichen Konzepte.

[0016] Figur 1 zeigt den Aufbau mit zwei getrennten Regelschleifen für beide Konverter (GW!, GW2). Die Eingangsspannung (Ui) versorgt den ersten Konverter (GW!), der die Zwischenkreisspannung (UM) erzeugt. Die Ausgangsspannung (UM) des ersten Konverters (GWi) wird einem ersten Soll-Istwert Vergleich (1) zugeführt und mit dem um den Faktor k (3) veränderten Sollwert des Gesamtsystems (U2*) verglichen. Der Fehler beider Signale wird im ersten Regler (Ri) bearbeitet und liefert das erforderliche Tastverhältnis (d1) für den ersten Konverter (GWi). Die Ausgangsspannung (U2) des zweiten Konverters (GW2), dessen Eingangsspannung die Zwischenkreisspannung (UM) ist, wird einem zweiten Soll-Istwert Vergleich (2) zugeführt und mit dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) verglichen. Der Fehler beider Signale wird im zweiten Regler (R2) bearbeitet und liefert das erforderliche Tastverhältnis (d2) für den zweiten Konverter (GW2).

[0017] Figur 2 zeigt eine andere Lösung mit zwei getrennten Regelschleifen für beide Konverter (GWi, GW2). Die Eingangsspannung (Ui) versorgt den ersten Konverter (GWi), der die Zwischenkreisspannung (Um) erzeugt. Die Ausgangsspannung (U2) des zweiten Konverters (GW2) wird einem ersten Soll-Istwert Vergleich (1) zugeführt und mit dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) verglichen. Der Fehler beider Signale wird im ersten Regler (Ri) bearbeitet und liefert das erforderliche Tastverhältnis (di) für den ersten Konverter (GWi). Die Ausgangsspannung (U2) des zweiten Konverters (GW2), dessen Eingangsspannung die Zwischenkreisspannung (UM) ist, wird einem zweiten Soll-Istwert Vergleich (2) zugeführt und ebenfalls mit dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) verglichen. Der Fehler beider Signale wird im zweiten Regler (R2) bearbeitet und liefert das erforderliche Tastverhältnis (d2) für den zweiten Konverter (GW2).

[0018] Figur 3 zeigt den Aufbau mit einem Regler (R) für beide Konverter (GWi, GW2). Die Eingangsspannung (Ui) versorgt den ersten Konverter (GWi), der die Zwischenkreisspannung (UM) erzeugt. Die Ausgangsspannung (U2) des zweiten Konverters (GW2), dessen Eingangsspannung die Zwischenkreisspannung (UM) ist, wird einem Soll-Istwert Vergleich (1) zugeführt und mit dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) verglichen. Der Fehler beider Signale wird in einem Regler (R) bearbeitet und liefert das erforderliche Tastverhältnis (d) für beide Konverter (GWi,GW2).

[0019] Figur 4 zeigt den Aufbau mit einem Regler (R) und Steuergesetz (SG). Die Eingangsspannung (Ui) versorgt den ersten Konverter (GWi), der die Zwischenkreisspannung (UM) erzeugt. Die Ausgangsspannung (U2) des zweiten Konverters (GW2), dessen Eingangsspannung die Zwischenkreisspannung (UM) ist, wird einem Soll-Istwert Vergleich (1) zugeführt und mit dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) verglichen. Der Fehler beider Signale wird in einem Regler (R) bearbeitet und liefert das Reglertastverhältnis (dR). Aus der Eingangsspannung (Ui) und dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) wird mithilfe eines Steuergesetzes das Steuergesetztastverhältnis (dSG) bestimmt. Das erforderliche Tastverhältnis (d) für die beiden Konverter (GWi, GW2) wird durch Addition (2) bestimmt und den Konverterstufen (GWi, GW2) zugeführt.

[0020] Figur 5 zeigt den Aufbau mit einer Steuerung und einer Regelung. Die Eingangsspannung (Ui) versorgt den ersten Konverter (GWi), der die Zwischenkreisspannung (UM) erzeugt. Die Ausgangsspannung (U2) des zweiten Konverters (GW2), dessen Eingangsspannung die Zwischenkreisspannung (UM) ist, wird einem Soll-Istwert Vergleich (1) zugeführt und mit dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) verglichen. Der Fehler beider Signale wird im Regler (R) bearbeitet und liefert das erforderliche Tastverhältnis (d2) für den zweiten Konverter (GW2). Aus der Eingangsspannung (Ui) und dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) wird mithilfe eines Steuergesetzes (SG) das erforderliche Tastverhältnis (di) für den ersten Konverter (GWi) bestimmt und der ersten Konverterstufe (GWi) zugeführt.

[0021] Figur 6 zeigt einen weiteren Aufbau mit einer Steuerung und einer Regelung. Die Eingangsspannung (Ui) versorgt den ersten Konverter (GWi), der die Zwischenkreisspannung (Um) erzeugt. Die Ausgangsspannung (U2) des zweiten Konverters (GW2), dessen Eingangsspan- 3/6

Claims

österreichisches Patentamt AT506 762B1 2012-05-15 nung die Zwischenkreisspannung (UM) ist, wird einem Soll-Istwert Vergleich (1) zugeführt und mit dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) verglichen. Der Fehler beider Signale wird im Regler (R) bearbeitet und liefert das Reglertastverhältnis (dR). Aus der Eingangsspannung (Ui) und dem Sollwert des Gesamtsystems (U2*) wird mithilfe eines Steuergesetzes (SG) das erforderliche Tastverhältnis (di) für den ersten Konverter (GW^ bestimmt und der ersten Konverterstufe (GW^ zugeführt. In einer Additionsstufe (2) wird das Reglertastverhältnis (dR) und das Tastverhältnis (di) des ersten Konverters (GW^ addiert und als Tastverhältnis (d2) dem zweiten Konverter (GW2) zugeführt. Patentansprüche 1. Verfahren zur Erzielung einer gewünschten Ausgangsspannung bei Kaskadierung von Gleichspannungswandlern, die über das Tastverhältnis beeinflusst werden, wobei an die erste Stufe die Eingangsspannung angeschlossen ist dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis beider Gleichspannungswandler aus der Addition eines aus dem Spannungsübersetzungsverhältnis bestimmten Steuergesetzes, das aus dem Sollwert der Ausgangsspannung und dem Wert der Eingangsspannung ein Tastverhältnis bestimmt, und dem Ausgangssignal eines Reglers, der den Fehler der Ausgangsspannung verarbeitet, zusammengesetzt wird.
2. Verfahren zur Erzielung einer gewünschten Ausgangsspannung bei Kaskadierung von Gleichspannungswandlern, die über das Tastverhältnis beeinflusst werden, wobei an die erste Stufe die Eingangsspannung angeschlossen ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichspannungswandler mit einem Steuergesetz, das aus dem Sollwert der Ausgangsspannung und dem Wert der Eingangsspannung ein Tastverhältnis bestimmt, angesteuert wird und der zweite Gleichspannungswandler durch einen Regler, der den Fehler der Ausgangsspannung verarbeitet, angesteuert wird.
3. Verfahren zur Erzielung einer gewünschten Ausgangsspannung bei Kaskadierung von Gleichspannungswandlern, die über das Tastverhältnis beeinflusst werden, wobei an die erste Stufe die Eingangsspannung angeschlossen ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichspannungswandler mit einem Steuergesetz, das aus dem Sollwert der Ausgangsspannung und dem Wert der Eingangsspannung ein Tastverhältnis bestimmt, angesteuert wird und der zweite Gleichspannungswandler mit einem Tastverhältnis, das durch die Addition des Tastverhältniswerts des ersten Gleichspannungswandlers mit dem ergänzenden Tastverhältniswert des durch den Regler, der den Fehler der Ausgangsspannung verarbeitet, gebildet wird, angesteuert wird.
4. Verfahren gemäß der Ansprüche 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Tastverhältniswerts, der durch den Regler gebildet wird, auf einen Bruchteil des durch das Steuergesetz gebildeten Tastverhältniswerts begrenzt wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6