CH701759B1 - Method for reducing the output voltage ripple of multiphase power electronic converters. - Google Patents
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Abstract
Zur Reduktion der Spannungs- und Stromrestwelligkeit an einem Betriebsspannungsanschluss (7.8) eines Gleichstrom-Wandlers (1), bestehend aus drei oder mehr identischen, parallel oder in Serie geschalteten Wandler-Einheiten (2) (Phasen), werden die Phasenlagen durch die erfindungsgemässen Ausführungsformen eines Phasenwinkel-Stellers (13) entweder durch Auswerten der Stellgrösse (22) einer analogen oder vorzugsweise digitalen Regeleinrichtung (11) oder durch Auswerten von mindestens einer der Regelgrössen der Regeleinrichtung (11) oder einer Kombination dieser Grössen eingestellt. Dazu wird aus diesen Grössen entweder Rückschluss auf die in den Wandler-Einheiten vorliegenden Bauteil- oder Ansteuer-Toleranzen und somit den Längen von Rippelzeigern geschlossen und durch ein Sortierverfahren und trigonometrische Rechnung mittels der Rippelzeiger die Phasenlagen für die Wandler-Einheiten (2) bestimmt, die zu einer Auslöschung der Grundschwingung der Welligkeit führen, oder es wird die Welligkeit gemessen, bewertet und mit Hilfe eines iterativen Suchverfahrens zur schrittweisen Korrektur der Phasenlagen, das im Betrieb zyklisch und fortlaufend auf alle Wandler-Einheiten (2) angewandt wird, ein globales Minimum der Welligkeit gefunden.To reduce the voltage and current ripple at an operating voltage terminal (7.8) of a DC converter (1), consisting of three or more identical, parallel or series converter units (2) (phases), the phase angles by the inventive embodiments a phase angle adjuster (13) either by evaluating the manipulated variable (22) of an analog or preferably digital control device (11) or by evaluating at least one of the controlled variables of the control device (11) or a combination of these variables. For this purpose, conclusions are either drawn from these variables about the component or drive tolerances present in the converter units and thus the lengths of ripple pointers, and the phase positions for the converter units (2) are determined by a sorting method and trigonometric calculation by means of the ripple pointer. which results in cancellation of the fundamental of the ripple, or the ripple is measured, evaluated, and a global minimum using an iterative seek method for stepwise phasing correction, which is cyclically and continuously applied to all transducer units (2) during operation the ripple found.
Description
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Reduktion der Welligkeit der Ausgangsspannung von leistungselektronischen Wandlern mit drei oder mehr Phasen gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. The invention relates to the field of reducing the ripple of the output voltage of power electronic converters with three or more phases according to the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
[0002] Getaktete Gleichspannungs-Wandler, wie Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller oder Hochsetz-Tiefsetzsteller, die beispielsweise Anwendung finden bei der Stabilisierung von gleichgerichteten Wechselspannungen, als Drehzahlsteller für Gleichstrommotoren, als Akkumulatorladegeräte oder als einstellbare Spannungsquellen, sind mit geschalteten Leistungshalbleitern aufgebaut, die eine eingangsseitige Gleichspannung als Zwischengrösse in ein pulsweitenmoduliertes Signal mit fester oder variabler Taktfrequenz umwandeln. Die dadurch ausgangsseitig verursachten Rippelströme und die Ausgangsspannungswelligkeit werden vorzugsweise durch Filterkondensatoren ausreichender Kapazität auf ein zulässiges Mass begrenzt. Dabei ist der erforderliche Kapazitätswert abhängig von einer während einer Schaltperiode zwischenzuspeichernden Ladungsmenge und daher umso geringer, je höher die Schaltfrequenz gewählt wird. Clocked DC voltage converters, such as step-up converters, step-down converters or step-up-step-down converters, which are used, for example, to stabilize rectified AC voltages, as speed controllers for DC motors, as battery chargers or as adjustable voltage sources, are constructed with switched power semiconductors that provide an input DC voltage convert it as an intermediate variable into a pulse-width modulated signal with a fixed or variable clock frequency. The resulting ripple currents on the output side and the output voltage ripple are preferably limited to a permissible level by filter capacitors of sufficient capacity. The required capacitance value is dependent on an amount of charge to be temporarily stored during a switching period and therefore the lower the higher the switching frequency is selected.
[0003] Da der Kapazitätswert bestimmend ist für das Kondensatorbauvolumen, das zu einem wesentlichen Anteil zum Gesamtvolumen des Wandlers beiträgt, ist es vorteilhaft, einen Wandler bei möglichst hoher Schaltfrequenz zu betreiben, um eine kompakte Bauform zu erhalten. In der Praxis jedoch existiert eine obere Schranke für die Wahl der Schaltfrequenz, die unter anderem bedingt ist durch die dynamischen Verluste der Leistungshalbleiter und die Realisierbarkeit der nötigen Treiberschaltungen. Since the capacitance value is decisive for the overall capacitor volume, which makes a significant contribution to the total volume of the converter, it is advantageous to operate a converter at the highest possible switching frequency in order to obtain a compact design. In practice, however, there is an upper limit for the selection of the switching frequency, which is due, among other things, to the dynamic losses of the power semiconductors and the feasibility of the necessary driver circuits.
[0004] Vorzugsweise werden daher mehrphasige Wandler eingesetzt, die aus einer Parallel- oder Reihenschaltung mehrerer Wandler-Einheiten (Phasen) bestehen, und die einzelnen Wandler-Einheiten mit gleicher Taktfrequenz betrieben, aufeinander synchronisiert und die Phasenlagen über die Schaltperiode gleichmässig verteilt. Dies führt idealerweise zu einer Verschiebung der Frequenzanteile der Welligkeit zu einem Vielfachen der Schaltfrequenz und zu einer Auslöschung der grundfrequenten Anteile. Therefore, multiphase converters are preferably used, which consist of a parallel or series connection of several converter units (phases), and the individual converter units operated at the same clock frequency, synchronized with each other and the phase positions evenly distributed over the switching period. Ideally, this leads to a shift in the frequency components of the ripple to a multiple of the switching frequency and to a cancellation of the fundamental frequency components.
[0005] In der Praxis jedoch wird eine vollständige Auslöschung der grundfrequenten Anteile aufgrund von Fertigungstoleranzen der magnetischen Bauelemente wie Drosseln, der Streuung der elektrischen Parameter der Leistungshalbleiter oder sich unterscheidende Signallaufzeiten oder Schaltzeiten nicht erreicht. Diese Toleranzen führen dazu, dass die pulsweitenmodulierten Ströme, die von den Wandler-Einheiten an den Filterkondensator geliefert werden, unterschiedliche Amplituden aufweisen. Wie in Fig. 1 beispielhaft für fünf Phasen und in Fig. 4beispielhaft für drei Phasen mit Hilfe von Rippelzeigern grafisch veranschaulicht, wobei die Phasenwinkel der Rippelzeiger der Phasenlage der Wandler-Einheiten entsprechen und die Länge der Rippelzeiger der Amplituden der Grundschwingungen der pulsweitenmodulierten Ströme entsprechen, verbleibt eine grundfrequente Restwelligkeit. In practice, however, a complete elimination of the fundamental frequency components is not achieved due to manufacturing tolerances of the magnetic components such as chokes, the spread of the electrical parameters of the power semiconductors or differing signal transit times or switching times. These tolerances mean that the pulse-width-modulated currents which are supplied by the converter units to the filter capacitor have different amplitudes. As in Fig. 1 exemplarily for five phases and in Fig. 4 exemplarily for three phases graphically illustrated with the help of ripple pointers, whereby the phase angles of the ripple pointers correspond to the phase position of the converter units and the length of the ripple pointers correspond to the amplitudes of the fundamental oscillations of the pulse-width modulated currents, there remains a fundamental-frequency residual ripple.
[0006] Bei bekannten Amplituden der Rippelzeiger bietet es sich an, die Rippelzeiger ihrer Länge nach zu sortieren und die Phasenlagen, wie in Fig. 2dargestellt, systematisch anzuordnen, so dass eine Reduktion der Grundschwingungsamplitude der Welligkeit resultiert. Jedoch lässt sich das Sortierverfahren nicht auf Wandler bestehend aus drei Wandler-Einheiten anwenden und liefert für Wandler mit mehr als drei Wandler-Einheiten nicht das bestmögliche Ergebnis. With known amplitudes of the ripple pointer, it is advisable to sort the ripple pointer according to their length and systematically arrange the phase positions, as shown in FIG. 2, so that a reduction in the fundamental oscillation amplitude of the ripple results. However, the sorting method cannot be applied to converters consisting of three converter units and does not provide the best possible result for converters with more than three converter units.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
[0007] Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, bei Wandlern der eingangs genannten Art ein Verfahren zur weiteren Reduktion der Restwelligkeit bereitzustellen. It is therefore the object of the invention to provide a method for further reducing the residual ripple in transducers of the type mentioned.
[0008] Das Verfahren dient also zum Minimieren von Rippelströmen in einem Gleichstrom-Wandler, wobei der Gleichstrom-Wandler drei oder mehr identische Wandler-Einheiten mit jeweils einem ersten Anschluss mit zwei Anschlusspolen und einem zweiten Anschluss mit zwei Anschlusspolen aufweist, wobei die ersten Anschlüsse der Wandler-Einheiten mit einer Filteranordnung verbunden sind, und diese Filteranordnung einen Betriebsspannungsanschluss des Gleichstrom-Wandlers aufweist respektive diesen Betriebsspannungsanschluss speist. The method is therefore used to minimize ripple currents in a DC converter, the DC converter having three or more identical converter units, each with a first connection with two connection poles and a second connection with two connection poles, the first connections of the converter units are connected to a filter arrangement, and this filter arrangement has an operating voltage connection of the direct current converter or feeds this operating voltage connection.
[0009] Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: – Ansteuern der Wandler-Einheiten mit jeweils einem pulsweitenmodulierten Steuersignal und dadurch Erzeugen jeweils eines Rippelstromes durch die Wandler-Einheiten, wobei die Steuersignale der Wandler-Einheiten die gleiche Frequenz aufweisen und wobei eine Phasenlage der Steuersignale verstellbar ist; sowie – Bestimmen einer Phasenlage der Steuersignale, bei welcher die Amplitude der Summe der Rippelströme ( ) im zeitlichen Mittel möglichst klein ist: – Ansteuern der Wandler-Einheiten mit der derart bestimmten Phasenlage der Steuersignale. The method has the following steps: - Controlling the converter units with a pulse-width-modulated control signal each and thereby generating a ripple current in each case through the converter units, the control signals of the converter units having the same frequency and a phase position of the control signals being adjustable; such as - Determination of a phase position of the control signals at which the amplitude of the sum of the ripple currents () is as small as possible on average over time: - Driving the converter units with the phase position of the control signals determined in this way.
[0010] Die Wandler-Einheiten sind beispielsweise in einer Serieschaltung oder einer Parallelschaltung an die Filteranordnung angeschlossen, oder über Elemente der Filteranordnung miteinander und mit dem Betriebsspannungsanschluss verbunden. Die Filteranordnung weist vorzugsweise einen Glättungskondensator zur Glättung der Spannung am Betriebsspannungsanschluss und optional weitere passive Bauelemente auf. The converter units are connected to the filter arrangement, for example in a series circuit or a parallel circuit, or connected to one another and to the operating voltage connection via elements of the filter arrangement. The filter arrangement preferably has a smoothing capacitor for smoothing the voltage at the operating voltage connection and optionally further passive components.
[0011] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Schritt des Bestimmens der Phasenlage der Steuersignale, bei welcher die Summe der Rippelströme ( ) im zeitlichen Mittel möglichst klein ist, die folgenden Schritte auf: – Bestimmen der Amplituden von drei repräsentativen Puls-Vektoren, wobei ein repräsentativer Puls-Vektor ( ) (auch Rippelzeiger genannt) jeweils die Amplitude und die Phasenlage des Rippelstromes einer Wandler-Einheit oder der Summe der Rippelströme ( ) mehrerer Wandler-Einheiten repräsentiert; – Berechnen der drei Winkel, unter welchen die drei repräsentativen Puls-Vektoren ( ) ein Dreieck bilden; – Wahl der Phasenlage der Steuersignale entsprechend dieser drei Winkel. In a preferred embodiment of the invention, the step of determining the phase position of the control signals, in which the sum of the ripple currents () is as small as possible on average over time, has the following steps: - Determination of the amplitudes of three representative pulse vectors, whereby a representative pulse vector () (also called ripple pointer) represents the amplitude and the phase position of the ripple current of a converter unit or the sum of the ripple currents () of several converter units; - calculating the three angles at which the three representative pulse vectors () form a triangle; - Choice of the phase position of the control signals according to these three angles.
[0012] Die Amplituden der Puls-Vektoren variieren, entsprechend dem Modulationsgrad oder Aussteuerungsgrad der einzelnen Wandler-Einheiten, synchron zueinander. Dabei bleibt das Verhältnis der Amplituden zueinander konstant, also auch das Verhältnis der Längen der Basis-Puls-Vektoren und der repräsentativen Puls-Vektoren. Die Amplituden sind jeweils auf einen Referenz-Betriebszustand mit einem Referenz-Aussteuerungsgrad bezogen. Falls die Amplituden in einem anderen Betriebszustand gemessen werden, lassen sich daraus ohne weiteres die Amplituden im Referenz-Betriebszustand berechnen. The amplitudes of the pulse vectors vary according to the degree of modulation or modulation of the individual converter units, synchronously with one another. The ratio of the amplitudes to one another remains constant, including the ratio of the lengths of the basic pulse vectors and the representative pulse vectors. The amplitudes are each related to a reference operating state with a reference level of modulation. If the amplitudes are measured in a different operating state, the amplitudes in the reference operating state can easily be calculated therefrom.
[0013] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden genau drei Wandler-Einheiten angesteuert, und die drei repräsentativen Puls-Vektoren ( ) repräsentieren die Amplitude und die Phasenlage des Rippelstromes dieser drei Wandler-Einheiten. Alternativ werden mehr als drei Wandler-Einheiten angesteuert, und ist mindestens einer der drei repräsentativen Puls-Vektoren ( ) die Vektorsumme von mindestens zwei Basis-Puls-Vektoren ( ), und repräsentieren die Basis-Puls-Vektoren ( ) jeweils die Amplitude und die Phasenlage des Rippelstromes einer der angesteuerten Wandler-Einheiten. In a further preferred embodiment of the invention, exactly three converter units are controlled, and the three representative pulse vectors () represent the amplitude and the phase position of the ripple current of these three converter units. Alternatively, more than three transducer units are controlled, and at least one of the three representative pulse vectors () is the vector sum of at least two basic pulse vectors (), and the basic pulse vectors () each represent the amplitude and the Phase position of the ripple current of one of the activated converter units.
[0014] Zum Bestimmen der Amplituden der drei repräsentativen Puls-Vektoren ( ) wird gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei jeder der Wandler-Einheiten jeweils der Strom durch diese Wandler-Einheit gemessen. Der Strom wird also entweder direkt gemessen, wenn nur drei Basis-Puls-Vektoren vorliegen, welche somit mit den repräsentativen Puls-Vektoren identisch sind, oder indirekt, indem zwei oder mehr der Basis-Puls-Vektoren zu einem repräsentativen Puls-Vektor addiert werden. In order to determine the amplitudes of the three representative pulse vectors (), according to a preferred embodiment of the invention, the current through this converter unit is measured in each of the converter units. The current is measured either directly if there are only three basic pulse vectors, which are thus identical to the representative pulse vectors, or indirectly, in that two or more of the basic pulse vectors are added to form a representative pulse vector .
[0015] In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zum Bestimmen der Amplituden der drei repräsentativen Puls-Vektoren in einer Kalibrierungsphase reihum jeweils nur eine Wandler-Einheit pulsweitenmoduliert angesteuert und wird ein Strom durch die Filteranordnung und/oder die Spannung am Betriebsspannungsanschluss gemessen. Der betrachtete Strom durch die Filteranordnung ist beispielsweise der Strom, der sich über den Betriebsspannungsanschluss schliesst. Die einzelnen Wandler-Einheiten werden dabei vorzugsweise mit demselben Modulationsgrad angesteuert, so dass die gemessenen Ströme unmittelbar proportional zu den Amplituden der Puls-Vektoren sind. Alternativ sind die Modulationsgrade verschieden und werden die Ströme entsprechend dem jeweiligen Modulationsgrad skaliert. In another preferred embodiment of the invention, to determine the amplitudes of the three representative pulse vectors in a calibration phase, only one converter unit is controlled in a pulse width modulated manner and a current through the filter arrangement and / or the voltage at the operating voltage connection is measured. The considered current through the filter arrangement is, for example, the current that closes via the operating voltage connection. The individual converter units are preferably controlled with the same degree of modulation, so that the measured currents are directly proportional to the amplitudes of the pulse vectors. Alternatively, the degrees of modulation are different and the currents are scaled according to the respective degree of modulation.
[0016] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zum Bestimmen der Amplituden der repräsentativen Puls-Vektoren in einer Kalibrierungsphase reihum jeweils nur eine Wandler-Einheit pulsweitenmoduliert angesteuert und wird der zur Speisung einer Last mit der jeweils angesteuerten Wandler-Einheit erforderliche Modulationsgrad tabellarisiert. Dieser Modulationsgrad wird im Betrieb der Wandler-Einheit durch eine Regelung eingestellt, um sich an eine Last anzupassen. In einem gleich bleibenden Arbeitspunkt stellt sich bei den verschiedenen Wandler-Einheiten, aufgrund deren Unterschiede, durch die Regelung ein unterschiedlicher Modulationsgrad ein. Aus den unterschiedlichen Modulationsgraden kann jeweils zurück auf die Stromamplitude der einzelnen Wandler-Einheiten gerechnet werden, oder es kann direkt ein zur Amplitude der Basis-Puls-Vektoren proportionaler Wert errechnet werden. Mit den Basis-Puls-Vektoren sind auch die repräsentativen Puls-Vektoren bestimmt. In a further preferred embodiment of the invention, to determine the amplitudes of the representative pulse vectors in a calibration phase, only one transducer unit is controlled in a pulse-width-modulated manner and the degree of modulation required to feed a load with the currently controlled transducer unit is tabulated. This degree of modulation is set by a control when the converter unit is in operation in order to adapt to a load. At a constant operating point, the various converter units have different degrees of modulation due to their differences. The different degrees of modulation can be used to calculate back to the current amplitude of the individual converter units, or a value proportional to the amplitude of the basic pulse vectors can be calculated directly. The representative pulse vectors are also determined with the base pulse vectors.
[0017] Vorzugsweise findet die Kalibrierungsphase gemäss den obigen Ausführungsformen bei Inbetriebnahme und/oder im Betrieb des Gleichstrom-Wandlers statt, und zwar in einem Betriebszustand in welchem eine einzelne dieser Wandler-Einheiten ausreicht, um eine Last zu speisen. So können die Wandler-Einheiten unabhängig voneinander ausgemessen werden. According to the above embodiments, the calibration phase preferably takes place during commissioning and / or operation of the direct current converter, specifically in an operating state in which a single one of these converter units is sufficient to feed a load. In this way, the converter units can be measured independently of one another.
[0018] Eine weitere Variante des Verfahrens respektive eine weitere Ausführungsform des Phasenwinkel-Stellers bezieht sich auf einen Gleichstrom-Wandler ohne besondere Anforderungen an das vom Pulsweitenmodulator erzeugte Pulsmuster. Darin werden im Schritt des Bestimmens der Phasenlage der Steuersignale, bei welcher die Summe der Rippelströme ( ) im zeitlichen Mittel möglichst klein ist, die folgenden Schritte zur iterativen Suche der Phasenlage ausgeführt: – Wahl einer der Wandler-Einheiten; – Variieren der Phasenlage des Steuersignales dieser Wandler-Einheit und Messen der Summe der Rippelströme ( ), bis die Summe der Rippelströme ( ) im zeitlichen Mittel ein lokales Minimum aufweist; – Falls die Summe der Rippelströme ( ) im zeitlichen Mittel ein vorgegebenes Mass überschreitet oder falls ein anderes Abbruchkriterium nicht erfüllt ist, Wahl einer anderen Wandler-Einheit und Ausführen des vorangehenden Schrittes; – Falls die Summe der Rippelströme ( ) im zeitlichen Mittel ein vorgegebenes Mass überschreitet oder falls ein anderes Abbruchkriterium erfüllt ist, Beenden der iterativen Suche. A further variant of the method or a further embodiment of the phase angle adjuster relates to a DC converter without special requirements for the pulse pattern generated by the pulse width modulator. In the step of determining the phase position of the control signals, for which the sum of the ripple currents () is as small as possible on average over time, the following steps for iterative search for the phase position are carried out: - Choice of one of the converter units; - Varying the phase position of the control signal of this converter unit and measuring the sum of the ripple currents () until the sum of the ripple currents () has a local minimum on average over time; - If the sum of the ripple currents () exceeds a predetermined amount on average over time or if another termination criterion is not met, select another converter unit and carry out the preceding step; - If the sum of the ripple currents () exceeds a specified amount on average over time or if another termination criterion is met, end the iterative search.
[0019] In einem Phasenwinkel-Steller zur Realisierung der beschriebenen Verfahrensvarianten zum Minimieren von Rippelströmen in einem Gleichstrom-Wandler weist also der Gleichstrom-Wandler drei oder mehr identische Wandler-Einheiten mit jeweils einem ersten Anschluss mit zwei Anschlusspolen und einem zweiten Anschluss mit zwei Anschlusspolen auf. wobei die ersten Anschlüsse der Wandler-Einheiten mit einer Filteranordnung verbunden sind, und diese Filteranordnung an einen Betriebsspannungsanschluss des Gleichstrom-Wandlers angeschlossen ist respektive diesen Betriebsspannungsanschluss speist. In a phase angle adjuster for implementing the described method variants for minimizing ripple currents in a DC converter, the DC converter thus has three or more identical converter units, each with a first connection with two connection poles and a second connection with two connection poles on. wherein the first connections of the converter units are connected to a filter arrangement, and this filter arrangement is connected to an operating voltage connection of the direct current converter or feeds this operating voltage connection.
[0020] Dabei sind die Wandler-Einheiten mit jeweils einem pulsweitenmodulierten Steuersignal ansteuerbar, zum Erzeugen jeweils eines Rippelstromes durch die Wandler-Einheiten, wobei die Steuersignale der Wandler-Einheiten die gleiche Frequenz aufweisen und wobei eine Phasenlage der Steuersignale verstellbar ist. Ferner ist der Phasenwinkel-Steller zur Bestimmung einer Phasenlage der Steuersignale, bei welcher die Amplitude der Summe der Rippelströme ( ) im zeitlichen Mittel möglichst klein ist, ausgebildet, und sind die Wandler-Einheiten mit der derart bestimmten Phasenlage der Steuersignale ansteuerbar. The converter units can each be controlled with a pulse-width modulated control signal to generate a ripple current through the converter units, the control signals of the converter units having the same frequency and a phase position of the control signals being adjustable. Furthermore, the phase angle adjuster is designed to determine a phase position of the control signals at which the amplitude of the sum of the ripple currents () is as small as possible on average over time, and the converter units can be controlled with the phase position of the control signals determined in this way.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
[0021] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Fig. 1 und 2<sep>Rippelzeiger und Summenzeiger der Grundschwingungsamplitude der Welligkeit für N=5 Phasen ohne und mit Sortierung der Rippelzeiger; Fig. 3<sep>Struktur eines mehrphasigen Wandlers mit Filteranordnung; Fig. 4 und 5<sep>Rippelzeiger und Summenzeiger der Grundschwingungsamplitude der Welligkeit für N=3 Phasen ohne und mit Berechnung der optimierter Rippelzeiger: Fig. 6<sep>Struktur eines mehrphasigen Wandlers mit Phasenwinkel-Steller einer ersten Ausführungsform: Fig. 7<sep>Struktur eines mehrphasigen Wandlers mit Phasenwinkel-Steller einer zweiten Ausführungsform; Fig. 8<sep>Struktur eines mehrphasigen Wandlers mit Phasenwinkel-Steller einer dritten Ausführungsform; und Fig. 9<sep>Struktur eines mehrphasigen Wandlers mit Phasenwinkel-Steller einer vierten Ausführungsform; Fig. 10<sep>Zeitverlauf des Spulenstroms und der pulsweitenmodulierten Spannungen eines Tiefsetzstellers mit toleranzbehafteter Induktivität bei Ansteuerung mit gleichen Schaltzeiten; Fig. 11<sep>Zeitverlauf des Spulenstroms und der pulsweitenmodulierten Spannungen eines Tiefsetzstellers mit toleranzbehafteter Induktivität bei Ansteuerung für gleichen Spulenstrommittelwert, und Fig. 12<sep>Zeitverlauf des Rippeistroms mit und ohne Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Minimierung der Welligkeit.In the following, the subject matter of the invention is explained in more detail with reference to preferred exemplary embodiments which are illustrated in the accompanying drawings. They each show schematically: FIGS. 1 and 2 <sep> ripple indicators and sum indicators of the fundamental oscillation amplitude of the ripple for N = 5 phases without and with sorting of the ripple indicators; 3 <sep> structure of a polyphase converter with a filter arrangement; 4 and 5 ripple phasors and sum phasors of the fundamental oscillation amplitude of the ripple for N = 3 phases without and with calculation of the optimized ripple phasors: FIG. 6 <sep> structure of a multi-phase converter with phase angle adjuster of a first embodiment: FIG. 7 < sep> Structure of a polyphase converter with phase angle adjuster of a second embodiment; 8 <sep> structure of a polyphase converter with phase angle adjuster of a third embodiment; and FIG. 9 <sep> structure of a polyphase converter with phase angle adjuster of a fourth embodiment; 10 <sep> time curve of the coil current and the pulse-width-modulated voltages of a step-down converter with tolerance-affected inductance when driven with the same switching times; 11 <sep> time curve of the coil current and the pulse width modulated voltages of a step-down converter with tolerance-affected inductance when driven for the same coil current mean value, and FIG. 12 <sep> time curve of the rib current with and without application of the inventive method for minimizing the ripple.
[0022] Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. The reference symbols used in the drawings and their meaning are summarized in the list of reference symbols. In principle, the same parts are provided with the same reference symbols in the figures.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
[0023] Die erfindungsgemässen Verfahren dienen der Reduktion der Spannungs- und Stromrestwelligkeit eines Gleichstrom-Wandlers 1, wie in Fig. 3 dargestellt, bestehend aus drei oder mehr identischen Wandler-Einheiten 2 (Phasen), jeweils mit einem ersten Anschluss 3, 4 und einem zweiten Anschluss 5, 6, die an mindestens einem Betriebsspannungsanschluss 7, 8 des Gleichstrom-Wandlers 1 verbunden sind. Die Verbindung der Wandler-Einheiten 2 wird vorzugsweise durch Parallelschaltung des jeweils ersten Anschlusses 3.4 der Wandler-Einheiten 2 an einer Filteranordnung 10, bestehend aus einem zwischen dem ersten Anschluss 3,4 liegenden Kondensator oder mehreren passiven Bauelementen, realisiert oder durch eine Reihenschaltung der ersten Anschlüsse 3, 4. In Fig. 3 ist eine beispielhafte Realisierung dieser Filteranordnung in Form eines Pi-Filters dargestellt und die pulsweitenmodulierten Ströme, die zwischen den Wandler-Einheiten 2 und der Filteranordnung 10 fliessen, sind als Stromquellen modelliert. The inventive method are used to reduce the voltage and current ripple of a DC converter 1, as shown in Fig. 3, consisting of three or more identical converter units 2 (phases), each with a first connection 3, 4 and a second connection 5, 6, which are connected to at least one operating voltage connection 7, 8 of the direct current converter 1. The connection of the converter units 2 is preferably realized by connecting the respective first connection 3.4 of the converter units 2 in parallel to a filter arrangement 10, consisting of a capacitor or several passive components located between the first connection 3, 4, or by connecting the first in series Connections 3, 4. FIG. 3 shows an exemplary implementation of this filter arrangement in the form of a pi filter, and the pulse-width-modulated currents that flow between the converter units 2 and the filter arrangement 10 are modeled as current sources.
[0024] Die in Fig. 6 bis Fig. 9 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung sehen eine analoge oder vorzugsweise digitale Regeleinrichtung 11 zur Realisierung einer Strom- und/oder Spannungsregelung vor, wobei für die Regelgrössen der Regeleinrichtung 11 vorzugsweise ein Spannungsmesswert 20, der durch eine Spannungsmessvorrichtung 9B am Betriebsspannungsanschluss 7, 8 des Gleichstrom-Wandlers 1 gewonnen wird, oder ein Strommesswert 21, der durch eine Strommessvorrichtung 9A am Betriebsspannungsanschluss 7, 8 gewonnen wird und/oder durch eine entsprechende für jede der Wandler-Einheiten 2 getrennt an den ersten Anschlüssen 3, 4 ausgeführte erste Messvorrichtung 9C oder eine an den zweiten Anschlüssen 5, 6 ausgeführte zweite Messvorrichtung 9D gewonnen wird und eine Stellgrösse 22 ein Ausgangssignal der Regeleinrichtung 11 darstellt. The embodiments of the invention shown in Fig. 6 to Fig. 9 provide an analog or preferably digital control device 11 for realizing a current and / or voltage control, wherein for the controlled variables of the control device 11 preferably a voltage measurement value 20, which is determined by a Voltage measuring device 9B is obtained at the operating voltage connection 7, 8 of the direct current converter 1, or a current measured value 21 which is obtained by a current measuring device 9A at the operating voltage connection 7, 8 and / or by a corresponding one for each of the converter units 2 separately at the first connections 3, 4 implemented first measuring device 9C or a second measuring device 9D implemented at the second connections 5, 6 is obtained and a manipulated variable 22 represents an output signal of the control device 11.
[0025] Daten zur Phasenselektion 25, über die eine Teil- oder die Gesamtmenge der verfügbaren Wandler-Einheiten 2 eingeschaltet werden können und die einzustellenden Phasenlagen 25 der Wandler-Einheiten 2, die von einem Phasenwinkel-Steller 13 zur Verfügung gestellt werden, sowie die Stellgrösse 22 der Regeleinrichtung 11 werden mindestens einem Pulsweitenmodulator 12 zugeführt, der die zur Ansteuerung der Leistungsschalter der Wandler-Einheiten 2 nötigen Steuersignale 23 generiert und an die Wandler-Einheiten 2 angeschlossen ist. Dabei weisen die vom Pulsweitenmodulator 12 für die einzelnen Wandler-Einheiten erzeugten Pulsmuster zueinander die vom Phasenwinkel-Steller 13 erzeugten Phasenlagen 25 und die gleiche Periodendauer auf. Data for phase selection 25, over which a part or the total amount of the available converter units 2 can be switched on and the phase positions 25 of the converter units 2 to be set, which are provided by a phase angle adjuster 13, as well as the The manipulated variable 22 of the regulating device 11 is fed to at least one pulse width modulator 12, which generates the control signals 23 required for activating the circuit breakers of the converter units 2 and is connected to the converter units 2. The pulse patterns generated by the pulse width modulator 12 for the individual converter units have the phase positions 25 generated by the phase angle adjuster 13 and the same period duration.
[0026] Die Phasenlagen 25 werden durch die erfindungsgemässen Ausführungsformen des Phasenwinkel-Stellers 13 entweder durch Auswerten der Stellgrösse 22 der Regeleinrichtung 11 oder durch Auswerten von mindestens einer der Regelgrössen der Regeleinrichtung 11 oder einer Kombination dieser Grössen derart eingestellt, dass eine Reduktion der Spannungswelligkeit an dem gemeinsamen Betriebsspannungsanschluss 7, 8 des Gleichstrom-Wandlers 1 resultiert. The phase positions 25 are set by the inventive embodiments of the phase angle adjuster 13 either by evaluating the manipulated variable 22 of the control device 11 or by evaluating at least one of the controlled variables of the control device 11 or a combination of these variables in such a way that a reduction in the voltage ripple occurs the common operating voltage connection 7, 8 of the direct current converter 1 results.
[0027] Eine erste, in Fig. 6dargestellte, Ausführungsform des Phasenwinkel-Stellers 13 bezieht sich auf Wandler-Einheiten 2 mit dem Merkmal, dass das vom Pulsweitenmodulator 12 erzeugte Pulsmuster zu einem Betrieb der Wandler-Einheiten 2 führt, bei dem der Mittelwert des Stroms durch den ersten Anschluss 3, 4 eine Proportionalität zur Länge eines der Wandler-Einheit 2 zuzuordnenden Rippelzeigers (oder Puls-Vektors) aufweist, die vorzugsweise begründet ist durch die in der Wandler-Einheit 2 vorliegenden Toleranzen. Beim in Fig. 10dargestellten Beispiel eines Tiefsetzstellers mit Eingangsspannung U1 und Ausgangsspannung U2, wird im Zeitintervall t1 < t < t2die Differenzspannung U1–U2 und im Zeitintervall t2 < t < t3 die Spannung -U2 an eine Induktivität L angelegt, so dass sich während der Schaltperiode Tp ein diskontinuierlicher Spulenstrom iL mit Mittelwert I2einstellt. Für einen Induktivitätswert Lnder n-ten Wandler-Einheit grösser dem Nennwert L stellt sich bei unveränderten Schaltzeitpunkten t1 bis t3 wegen der geringeren Stromanstiegsgeschwindigkeit ebenfalls ein geringerer, zum Wert der Induktivität umgekehrt proportionaler, mittlerer Strom I2 ein. Gleichzeitig weist der durch eine Fourier-Entwicklung der Zeitfunktion iL des Spulenstroms berechenbare Rippelzeiger eine geringere Amplitude auf, so dass zusammenfassend eine direkte Proportionalität zwischen dem messbaren Strommittelwert I2 und der Rippelzeigeramplitude existiert. Bei gleichzeitiger Messung der Ströme aller Wandler-Einheiten 2 durch die erste Messvorrichtung 9C kann daher durch Rechnung auf die tatsächliche Länge der Rippelzeiger oder eine entsprechende normierte Länge geschlossen werden und in Verbindung mit den bekannten Phasenlagen 24 ein Zeigerdiagramm konstruiert und der Summenzeiger der Welligkeit berechnet werden. A first, shown in Fig. 6, embodiment of the phase angle adjuster 13 relates to converter units 2 with the feature that the pulse pattern generated by the pulse width modulator 12 leads to an operation of the converter units 2, in which the mean value of the The current through the first connection 3, 4 has a proportionality to the length of a ripple pointer (or pulse vector) to be assigned to the converter unit 2, which is preferably based on the tolerances present in the converter unit 2. In the example of a buck converter with input voltage U1 and output voltage U2 shown in FIG. 10, the differential voltage U1-U2 is applied to an inductance L in the time interval t1 <t <t2 and the voltage -U2 in the time interval t2 <t <t3, so that during the Switching period Tp sets a discontinuous coil current iL with an average value I2. For an inductance value Lnder nth converter unit greater than the nominal value L, with unchanged switching times t1 to t3, a lower mean current I2, which is inversely proportional to the value of the inductance, is also established because of the lower rate of current rise. At the same time, the ripple pointer, which can be calculated using a Fourier expansion of the time function iL of the coil current, has a lower amplitude, so that, in summary, there is a direct proportionality between the measurable mean current value I2 and the ripple pointer amplitude. When the currents of all converter units 2 are measured simultaneously by the first measuring device 9C, the actual length of the ripple phasors or a corresponding standardized length can be deduced by calculation and, in conjunction with the known phase positions 24, a phasor diagram can be constructed and the sum phasor of the ripple calculated .
[0028] Zur Umsetzung eines Verfahrens zur Reduktion der Welligkeit bei der ersten Ausführungsform des Phasenwinkel-Stellers 13 werden die Strommesswerte der ersten Messvorrichtung 9C und die Daten zur Selektion einer Teil- oder der Gesamtmenge der verfügbaren Wandler-Einheiten 2, die von einer übergeordneten Steuerung 15A geliefert werden, dem Pulsweitenmodulator 12 und einer Einheit zur Berechnung der Phasenwinkel 14A zur Verfügung gestellt, die ebenfalls mit dem Pulsweitenmodulator 12 verbunden ist. To implement a method for reducing the ripple in the first embodiment of the phase angle adjuster 13, the current measured values of the first measuring device 9C and the data for selecting a portion or the total amount of the available converter units 2, from a higher-level controller 15A, the pulse width modulator 12 and a unit for calculating the phase angle 14A, which is also connected to the pulse width modulator 12.
[0029] Während des Betriebs von genau drei Wandler-Einheiten 2 bestimmt die Einheit zur Berechnung der Phasenwinkel 14A die Winkel der Rippelzeiger und somit die Phasenlagen 24 der Wandler-Einheiten 2 wie in Fig. 5dargestellt durch Konstruktion eines Dreiecks, dessen Seitenlängen den Längen der drei Rippelzeiger entsprechen, und trigonometrische Berechnung der Winkel der Rippelzeiger zueinander, dass der Summenzeiger der Welligkeit und somit die Grundschwingungsamplitude der Welligkeit ausgelöscht wird. Während des Betriebs von mehr als drei Wandler-Einheiten 2 erfolgt die Berechnung der Phasenlagen vorzugsweise durch eine Vorsortierung der Rippelzeiger mit Ausnahme zweier Rippelzeiger, anschliessendem Bilden eines Summenrippelzeigers der vorsortierten Rippelzeiger und abschliessender Dreieckskonstruktion und trigonometrischer Berechnung der Winkel der verbleibenden Rippelzeiger relativ zum Winkel des Summenrippelzeigers der vorsortierten Rippelzeiger, so dass wiederum eine Auslöschung der Grundschwingungsamplitude der Welligkeit erfolgt. Bei bekannten Längen ÎS3,1, ÎS3,1und ÎS3,3 der Rippelzeiger der drei Wandler-Einheiten 2 können die Phasenlagen φ1, φ2und φ3 berechnet werden mit During the operation of exactly three converter units 2, the unit for calculating the phase angle 14A determines the angle of the ripple pointer and thus the phase positions 24 of the converter units 2 as shown in FIG. 5 by constructing a triangle whose side lengths correspond to the lengths of the three ripple pointers correspond, and trigonometric calculation of the angle of the ripple pointers to each other that the sum pointer of the ripple and thus the fundamental oscillation amplitude of the ripple is canceled. During the operation of more than three converter units 2, the calculation of the phase positions is preferably carried out by presorting the ripple pointers with the exception of two ripple pointers, then creating a total ripple pointer of the presorted ripple pointers and concluding triangular construction and trigonometric calculation of the angle of the remaining ripple pointers relative to the angle of the total ripple pointers the pre-sorted ripple pointer, so that the fundamental oscillation amplitude of the ripple is again canceled out. With known lengths ÎS3,1, ÎS3,1 and ÎS3,3 of the ripple phasors of the three converter units 2, the phase positions φ1, φ2 and φ3 can be calculated with
wobei in which
[0030] Es erfolgt demnach entweder eine direkte Berechnung der Phasenlagen, wenn nur drei Rippelzeiger (Basis-Puls-Vektoren) vorliegen, welche somit mit für die Berechnung repräsentativen Puls-Vektoren identisch sind, oder indirekt, indem zwei oder mehr der Basis-Puls-Vektoren zu einem repräsentativen Puls-Vektor addiert werden. There is accordingly either a direct calculation of the phase positions if only three ripple pointers (base pulse vectors) are present, which are thus identical to pulse vectors representative for the calculation, or indirectly by adding two or more of the base pulse Vectors are added to a representative pulse vector.
[0031] Fig. 12 zeigt beispielhaft eine durch das erfindungsgemässe Verfahren erreichte Reduktion des Rippelstroms iC2.0 im Kondensator C2.0 eines Gleichstromwandlers gemäss Fig. 3bestehend aus drei Wandler-Einheiten 2 mit den Spulenströmen iL.1, iL.2 und iL.3. FIG. 12 shows, by way of example, a reduction in the ripple current iC2.0 in the capacitor C2.0 of a direct current converter according to FIG. 3, which is achieved by the method according to the invention, and consists of three converter units 2 with the coil currents iL.1, iL.2 and iL. 3.
[0032] Eine zweite, in Fig. 7dargestellte, Ausführungsform des Phasenwinkel-Stellers 13 findet Anwendung bei Gleichstromwandlern 1, wie für die erste Ausführungsform des Phasenwinkel-Stellers 13 beschrieben, jedoch mit der Ausnahme, dass anstelle von für jede Wandler-Einheit 2 getrennt durchgeführten Strommessungen lediglich ein gemeinsamer Strommesswert 21, der am Betriebsspannungsanschluss 7, 8 des Gleichstromwandlers 1 durch eine Strommessvorrichtung 9A ermittelt wird, zur Verfügung steht. Bei der Realisierung eines mehrphasigen Wandlers ist dies Praxis um die Anzahl der benötigten Stromsensoren und somit die Kosten des Wandlers gering zu halten. A second, shown in Fig. 7, embodiment of the phase angle adjuster 13 is used in DC-DC converters 1, as described for the first embodiment of the phase angle adjuster 13, but with the exception that instead of for each converter unit 2 separately For the current measurements carried out, only a common current measured value 21 is available, which is determined at the operating voltage connection 7, 8 of the direct-current converter 1 by a current measuring device 9A. When realizing a multi-phase converter, this is practical in order to keep the number of current sensors required and thus the costs of the converter low.
[0033] In diesem Fall kann dennoch eine Minimierung der Welligkeit mit dem oben beschriebenen Verfahren zu Vorsortierung der Rippelzeiger und trigonometrischer Berechnung der Phasenlagen 24 durchgeführt werden, wenn der Strommesswert 21 einer im Phasenwinkel-Steller 13 implementierten übergeordneten Steuerung 15B zugeführt wird und die übergeordnete Steuerung 15B die Eigenschaft besitzt, dass sie während einer Kalibrierungsprozedur mit einer Kalibiergrösse 27 anstelle der Stellgrösse 22 der Regeleinrichtung 11 den Pulsweitenmodulator 12 steuern kann und eine Speichereinrichtung 16B während der Kalibrierungsprozedur mit aus dem Strommesswert 21 gewonnenen Kalibierdaten gefüllt wird, die während des regulären Betriebs von einer Einheit zur Phasenwinkelberechnung 14B gleicher Funktionalität der Einheit zur Phasenwinkelberechnung 14A genutzt, werden, um die Phasenlagen 24 zu berechnen. In this case, the ripple can still be minimized with the method described above for presorting the ripple pointer and trigonometric calculation of the phase positions 24 if the measured current value 21 is supplied to a higher-level controller 15B implemented in the phase angle adjuster 13 and the higher-level controller 15B has the property that it can control the pulse width modulator 12 during a calibration procedure with a calibration variable 27 instead of the manipulated variable 22 of the regulating device 11, and a storage device 16B is filled with calibration data obtained from the current measured value 21 during the calibration procedure, which during regular operation is filled by a The phase angle calculation unit 14B with the same functionality of the phase angle calculation unit 14A are used to calculate the phase positions 24.
[0034] Der Ablauf der Kalibrierungsprozedur gestaltet sich wie folgt: Unter der Bedingung von konstanten Spannungen an den zweiten Anschlüssen 5.6 der Wandler-Einheiten 2 und am Betriebsspannungsanschluss 7,8 betreibt die übergeordnete Steuerung 15B durch Vorgabe der Phasenselektion 25 und der Kalibriergrösse 27 an den Pulsweitenmodulator 12 eine einzelne Wandler-Einheit 2 jeweils mit den gleichen Schaltzeiten. Wie in Fig. 10 am Beispiel eines Tiefsetzstellers dargestellt, führt dies bei Toleranzen zwischen den Wandler-Einheiten 2 zu sich unterscheidenden, von der Strommessvorrichtung 9A gemessenen Strömen, im Falle von Fig. 10 einem unterschiedlichen Mittelwert des Stromes I2 aus dem die Länge des Rippelzeigers der Wandler-Einheit durch Rechnung abgeleitet werden kann. Im Verlauf der Kalibrierungsprozedur werden die Strommesswerte 21 der Strommessvorrichtung 9A für jede Wandler-Einheit 2 in der Speichereinrichtung 16B abgelegt. Die während der Kalibrierungsprozedur bestimmten Amplituden der Rippelzeiger sind also jeweils auf einen Referenz-Betriebszustand mit einem Referenz-Aussteuerungsgrad, gegeben durch die Kalibiergrösse 27, bezogen und variieren, entsprechend dem Modulationsgrad oder Aussteuerungsgrad der einzelnen Wandler-Einheiten 2, der im regulären Betrieb durch die Stellgrösse 22 der Regeleinrichtung 11 vorgegeben wird, synchron zueinander. Dabei bleibt das Verhältnis der Amplituden zueinander konstant, also auch das Verhältnis der Längen der Rippelzeiger. Aus Gründen dieser Proportionalität lassen sich aus den Kalibrierungsdaten auch in einem anderen Betriebszustand, abweichend vom Referenz-Betriebszustand, ohne weiteres durch die Einheit zur Phasenwinkelberechnung 14B die Phasenlagen 24 berechnen. The sequence of the calibration procedure is as follows: Under the condition of constant voltages at the second connections 5.6 of the converter units 2 and at the operating voltage connection 7.8, the higher-level controller 15B operates by specifying the phase selection 25 and the calibration variable 27 to the Pulse width modulator 12 is a single converter unit 2, each with the same switching times. As shown in FIG. 10 using the example of a buck converter, if there are tolerances between the converter units 2, this leads to currents measured by the current measuring device 9A that differ, in the case of FIG. 10 a different mean value of the current I2 from which the length of the ripple vector the converter unit can be derived by calculation. In the course of the calibration procedure, the current measured values 21 of the current measuring device 9A for each converter unit 2 are stored in the memory device 16B. The amplitudes of the ripple pointer determined during the calibration procedure are each related to a reference operating state with a reference modulation level, given by the calibration variable 27, and vary according to the modulation level or modulation level of the individual transducer units 2, which is used in regular operation by the Manipulated variable 22 of the control device 11 is specified, synchronously with one another. The ratio of the amplitudes to one another remains constant, including the ratio of the lengths of the ripple pointer. For reasons of this proportionality, the phase angle calculation unit 14B can easily be used to calculate the phase positions 24 from the calibration data in a different operating state, deviating from the reference operating state.
[0035] Vorzugsweise wird die Kalibrierungsprozedur in einer Initialisierungsphase nach Einschalten des Wandlers einmalig durchgeführt, wobei sich eine Wiederholung der Kalibrierung zu einem späteren Zeitpunkt ebenfalls als vorteilhaft erweisen kann, um Veränderungen der Toleranzen während des Betriebs des Wandlers (beispielsweise in Folge von Temperatureinflüssen) Rechnung zu tragen. The calibration procedure is preferably carried out once in an initialization phase after switching on the converter, with repeating the calibration at a later point in time may also prove to be advantageous in order to account for changes in tolerances during operation of the converter (for example as a result of temperature influences) to wear.
[0036] Eine dritte, in Fig. 8dargestellte, Ausführungsform des Phasenwinkel-Stellers 13 findet analog zur zweiten Ausführungsform des Phasenwinkel-Stellers Anwendung bei Gleichstrom-Wandlern 1, wie für die erste Ausführungsform des Phasenwinkel-Stellers 13 beschrieben, jedoch mit der Ausnahme, dass anstelle von für jede Wandler-Einheit 2 getrennt durchgeführten Strommessungen lediglich ein gemeinsamer Strommesswert 21, der am Betriebsspannungsanschluss 7, 8 des Gleichstromwandlers 1 durch eine Strommessvorrichtung 9A ermittelt wird, zur Verfügung steht. Jedoch wird der Nachteil, dass die Stellgrösse 22 der Regeleinrichtung 11 während der Kalibrierungsprozedur verändert werden muss, was die Durchführung der Kalibrierung während des regulären Betriebs des Gleichstrom-Wandlers 1 erschwert, durch eine geänderte Kalibrierungsprozedur umgangen. A third, shown in Fig. 8, embodiment of the phase angle adjuster 13 is analogous to the second embodiment of the phase angle adjuster application in DC converters 1, as described for the first embodiment of the phase angle adjuster 13, but with the exception that instead of current measurements carried out separately for each converter unit 2, only one common current measured value 21 is available, which is determined at the operating voltage connection 7, 8 of the direct current converter 1 by a current measuring device 9A. However, the disadvantage that the manipulated variable 22 of the regulating device 11 has to be changed during the calibration procedure, which makes it difficult to carry out the calibration during regular operation of the direct-current converter 1, is circumvented by a modified calibration procedure.
[0037] Hierzu wird die Stellgrösse 22 der Regeleinrichtung 11 einer im Phasenwinkel-Steller 13 implementierten übergeordneten Steuerung 15C zugeführt, die die Eigenschaft besitzt, dass sie durch Vorgabe der Phasenselektion 25 an den Pulsweitenmodulator 12 im Verlauf einer Kalibrierungsprozedur eine einzelne zu betreibende Wandler-Einheit auswählen kann und eine Speichereinrichtung 16C während der Kalibrierungsprozedur mit den aus der Stellgrösse 22 gewonnenen Kalibierdaten gefüllt wird, die während des regulären Betriebs des Gleichstromwandlers 1 von einer Einheit zur Phasenwinkelberechnung 14C gleicher Funktionalität der Einheit zur Phasenwinkelberechnung 14A genutzt werden, um die Phasenlagen 24 zu berechnen. For this purpose, the manipulated variable 22 of the control device 11 is fed to a higher-level controller 15C implemented in the phase angle adjuster 13, which has the property that by specifying the phase selection 25 to the pulse width modulator 12 in the course of a calibration procedure, it provides a single converter unit to be operated and a storage device 16C is filled during the calibration procedure with the calibration data obtained from the manipulated variable 22, which are used during the regular operation of the DC / DC converter 1 by a unit for phase angle calculation 14C with the same functionality of the unit for phase angle calculation 14A to calculate the phase positions 24 .
[0038] Der Ablauf der Kalibrierungsprozedur gestaltet sich wie folgt: Die übergeordnete Steuerung 15C koordiniert den Ablauf der Kalibrierungsprozedur, wobei sie in einem durch die Regeleinrichtung 11 geregelten Teillastarbeitspunkt, für den die Leistung an den Betriebsspannungsklemmen 7, 8 durch eine einzelne Wandler-Einheit 2 geliefert werden kann, durch Vorgabe der Phasenselektion 25 an den Pulsweitenmodulator 12 sequentiell jeweils eine einzelne der verfügbaren Wandler-Einheiten 2 betreibt und die Stellgrösse 22 der Regeleinrichtung 11, die eine Proportionalität zu den Toleranzen der Wandler-Einheiten und somit zur Länge des Rippelzeigers aufweist, in der Speichereinrichtung 16C zur späteren Verwendung durch die Einheit zur Phasenwinkelberechnung 14C tabellarisiert. Die Proportionalität zwischen Stellgrösse 22 und Länge des Rippelzeigers ist in Fig. 11beispielhaft für einen Tiefsetzsteller dargestellt und dadurch begründet, dass für gleiche Lastverhältnisse durch die Regeleinrichtung 11 der gleiche Strommittelwert I2eingeregelt wird, dazu jedoch sich unterscheidende Schaltzeitpunkte zur Ansteuerung der leistungselektronischen Schalter oder respektive eine andere Stellgrösse 22 erforderlich sind. The sequence of the calibration procedure is as follows: The higher-level controller 15C coordinates the sequence of the calibration procedure, with it in a part-load operating point regulated by the control device 11, for which the power at the operating voltage terminals 7, 8 by a single converter unit 2 can be supplied, by specifying the phase selection 25 to the pulse width modulator 12 sequentially operates a single one of the available converter units 2 and the manipulated variable 22 of the control device 11, which is proportional to the tolerances of the converter units and thus to the length of the ripple pointer, tabulated in the memory device 16C for later use by the unit for phase angle calculation 14C. The proportionality between manipulated variable 22 and length of the ripple pointer is shown in Fig. 11 as an example for a step-down converter and is based on the fact that the same average current value I2 is regulated by the control device 11 for the same load conditions, but with different switching times for controlling the power electronic switches or a different one Control variable 22 are required.
[0039] Die Kalibrierungsprozedur wird vorteilhaft während des regulären Betriebs des Gleichstrom-Wandlers 1 in geeigneten Teillastarbeitspunkten wiederholt, um Veränderungen der Toleranzen während des Betriebs des Wandlers Rechnung zu tragen. Dabei bleibt das Verhalten des Gleichstrom-Wandlers 1 am Betriebsspannungsanschluss 7, 8 im Idealfall unverändert. The calibration procedure is advantageously repeated during regular operation of the DC converter 1 at suitable partial load operating points in order to take account of changes in the tolerances during the operation of the converter. The behavior of the direct current converter 1 at the operating voltage connection 7, 8 remains unchanged in the ideal case.
[0040] Eine vierte, in Fig. 9dargestellte, Ausführungsform des Phasenwinkel-Stellers 13 bezieht sich auf einen Gleichstrom-Wandler 1 ohne besondere Anforderungen an das vom Pulsweitenmodulator 12 erzeugte Pulsmuster zur Schalteransteuerung 23, bei der mindestens eine der von der Strommesseinrichtung 9A und der Spannungsmesseinrichtung 9B gemessenen Grössen im Phasenwinkel-Steller 13 durch eine Welligkeitsbewertung 17 analysiert und der Grad der Welligkeit festgestellt wird und eine Einheit zur Phasenwinkelanpassung 18 durch ein iteratives Verfahren schrittweise die Phasenlagen 24 der im Betrieb befindlichen Wandler-Einheiten 2 verändert, bis durch die Welligkeitsbewertung 17 eine minimale Welligkeit festgestellt wird. A fourth, shown in Fig. 9, embodiment of the phase angle adjuster 13 relates to a DC converter 1 without special requirements for the pulse pattern generated by the pulse width modulator 12 for switch control 23, in which at least one of the current measuring device 9A and the Voltage measuring device 9B, the quantities measured in the phase angle adjuster 13 are analyzed by a ripple evaluation 17 and the degree of the ripple is determined and a unit for phase angle adjustment 18 gradually changes the phase positions 24 of the converter units 2 in operation through an iterative method until the ripple evaluation 17 a minimal ripple is found.
[0041] Die Welligkeitsbewertung 17 ist vorzugsweise als Spitze-Spitzewert-Messung oder als Effektivwertmessung ausgeführt. The ripple evaluation 17 is preferably implemented as a peak-to-peak value measurement or as an effective value measurement.
[0042] Für das iterative Verfahren werden die Phasenlagen 24 der Wandler-Einheiten 2 vorteilhaft zunächst mit über der Schaltperiode gleichmässig verteilten Winkeln initialisiert. Anschliessend erfolgt, beginnend mit einer ersten Wandler-Einheit 2, in einem Zeitraster, das einem ganzzahligen Vielfachen der Schaltperiode entspricht, eine fortlaufende, schrittweise Korrektur der Phasenlage dieser Wandler-Einheit um einen festen Winkelbetrag in Form eines Suchverfahrens mit Hysterese, wobei die Suchrichtung durch die Auswirkung auf die Welligkeit (Verbesserung oder Verschlechterung) bestimmt wird, bis durch die Welligkeitsbewertung 17 keine Verbesserung der Welligkeit mehr festgestellt wird, also ein lokales Optimum für die Phasenlage der Wandler-Einheit ermittelt wurde. Das Suchverfahren wird zyklisch und fortlaufend auf alle weiteren Wandler-Einheiten 2 angewandt, bis ein globales Optimum der Welligkeit gefunden wird. For the iterative method, the phase positions 24 of the converter units 2 are advantageously initially initialized with angles evenly distributed over the switching period. Then, starting with a first converter unit 2, in a time pattern that corresponds to an integer multiple of the switching period, a continuous, step-by-step correction of the phase position of this converter unit by a fixed angular amount in the form of a search method with hysteresis, with the search direction being through the effect on the waviness (improvement or deterioration) is determined until the waviness evaluation 17 no longer detects any improvement in the waviness, that is to say a local optimum for the phase position of the converter unit has been determined. The search process is applied cyclically and continuously to all further converter units 2 until a global optimum for the waviness is found.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |