DE102005023453A1

DE102005023453A1 - Ansteuerschaltung für einen Stromrichter und Stromversorgungseinrichtung und Verwendung eines FPGA

Info

Publication number: DE102005023453A1
Application number: DE200510023453
Authority: DE
Inventors: Thomas Mögle; Burkhard Ulrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2006-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine digitale Ansteuerschaltung (1) mit einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC) für einen gesteuerten Stromrichter (2) und eine Stromversorgungseinrichtung (50) für die Bereitstellung hoher Gleichströme. Um die Kosten für eine Realisierung einer geregelten und nahezu rückwirkungsfreien Stromversorgungseinrichtung (50) zu reduzieren und gleichzeitig den Platzbedarf von Baugruppen und Komponenten zu reduzieren, wird zur Realisierung einer digitalen Ansteuerschaltung (1) für einen gesteuerten Stromrichter ein "Field Programmable Gate Array (3) (FPGA)" verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft eine digitale Ansteuerschaltung mit einer Leistungsfaktorkorrektur für einen gesteuerten Stromrichter.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Stromversorgungseinrichtung für die Bereitstellung hoher Gleichströme. Sowie eine Verwendung eines "Field Programmable Gate Array (FPGA)".
Stromrichter zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom heißen Gleichrichter, für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom, Wechselrichter. Stromrichter, die wahlweise als Gleich- oder Wechselrichter betrieben werden können, heißen Umrichter. Ein Tiefsetzsteller ist ein einfacher selbstgeführter Umrichter. Er wandelt beispielsweise eine Gleichspannung in eine kleinere Gleichspannung um.
Viele industrielle Anlagen und Prozesse benötigen für ihre Energieversorgung eine stabile und einstellbare Gleichspannung. Zur Gewinnung dieser Gleichspannung aus dem Wechselstrom- bzw. Drehstromnetz werden aus Kostengründen und aufgrund ihrer Einfachheit und Robustheit im großen Umfang passive Gleichrichterschaltungen mit beispielsweise einem Speicherkondensator eingesetzt. Diese passiven Gleichrichterschaltungen sind für viele Anwendungen nur bedingt geeignet. Die Bereitstellung einer Ausgangspannung ist beispielsweise nicht stabilisiert, weiterhin kann nur eine betragsmäßig kleinere Ausgangsspannung als eine Spannung, welcher der Höhe der Amplitude der Netzspannung entspricht bereitgestellt werden.
Des Weiteren kann nur dann ein Strom vom Netz fließen, wenn die Netzspannung größer ist als die Spannung am Speicherkondensator, woraus ein stark impulsförmiger Stromverlauf resul tiert. Bei vielen ähnlich ausgeführten, parallel am Netz angeschlossenen Geräten führt dies dazu, dass das Versorgungsnetz für die Zeitpunkte der Spannungsscheitelwerte stark belastet wird, störanfällige Verbraucher können dadurch gestört werden. Daher müssen die Einrichtungen der Versorgungsnetze, wie Zuleitungen und Transformatoren, für zusätzliche Sicherheit ausgelegt werden, die Netzbetreiber sind bestrebt die Belastungen durch Spitzenströme möglichst gering zu halten.
Für Geräte, die an die Verteilernetze für elektrische Energie angeschlossen werden, definieren Normen für beispielsweise solche Spitzenströme Grenzwerte. Über die DIN-EN 61000-3-2 bzw. IEC 1000-3-2 ist z.B. die Höhe der Amplituden der Oberschwingungen des aus dem Netz entnommenen Stromes festgelegt.
Durch den Einsatz einer Spannungsversorgungseinrichtung und/oder einer Stromversorgungseinrichtung mit einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction) ist es möglich, die genannten Nachteile zu beheben. Die Leistungsfaktorkorrektur regelt einen Eingangsstrom proportional zur Netzspannung und vermeidet damit die Entstehung eines Impulsstromes. Ziel der Leistungsfaktorkorrektur ist es, den Eingangsstrom eines Gerätes der Netzspannung proportional nachzuführen, so dass sich die Stromversorgung des Verbrauchers im Idealfall wie eine ohmsche Last gegenüber dem Versorgungsnetz verhält und die Schaltung ausgangsseitig eine beispielsweise stabilisierte Gleichspannung zur Verfügung stellt.
Während für Einphasen-Anwendungen sowohl die Konzepte aufgrund der gesetzlichen Bestimmungen und Normen bereits etabliert, als auch integrierte und kostengünstige Lösungen vorhanden sind, ist dies für Dreiphasen-Anwendungen und den Leistungsbereich über 1 kW noch nicht in diesem Ausmaße der Fall. Die bisherigen Lösungen in Bezug auf Dreiphasen-Anwendungen sind sehr komplex und teuer.

Es ist Aufgabe der Erfindung die Kosten für eine Realisierung einer geregelten und nahezu rückwirkungsfreien Strom versorgungseinrichtung zu reduzieren und gleichzeitig den Platzbedarf von Baugruppen und Komponenten zu reduzieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß und bezogen auf die eingangs genannte Verwendung dadurch gelöst, dass zur Realisierung einer digitalen Ansteuerschaltung für einen gesteuerten Stromrichter ein „Field Programmable Gate Array (FPGA)" verwendet wird. Durch den Einsatz eines FPGAs kann eine Ansteuerung des Stromrichters und ein Aufbau einer digitalen Umsetzung mit zahlreichen unterstützenden Funktionen hinsichtlich Kosten und Platzbedarf stark reduziert ausgeführt werden.

Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird bezogen auf die eingangs genannte Ansteuerschaltung gelöst durch einen frei programmierbaren Logikschaltkreis, der mindestens eine Erfassungs-Signalschnittstelle zu einem Analog/Digital-Wandler, welcher zum Erfassen von mindestens einem Phasenstrom auf einer Eingangsseite des Stromrichters und/oder einer Ausgangsspannung auf einer Ausgangsseite des Stromrichters hergerichtet ist, und mindestens eine Steuer-Signalschnittstelle zu einem Steuereingang des Stromrichters aufweist. Mit dem Einsatz eines frei programmierbaren Logikschaltkreises kann eine Ansteuerschaltung, vorzugsweise für eine Dreiphasen- Leistungsfaktorkorrektur, vollständig digitalisiert werden und damit ist eine Basis für die Integration und Komprimierung verschiedener Verfahren, Funktionalitäten und/oder Algorithmen geschaffen. Die bereits beschriebenen Schnittstellen mit dem Logikschaltkreis können galvanisch getrennt, beispielsweise über Lichtleitungen, oder galvanisch gekoppelt direkt über Leiterbahnen ausgeführt sein.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der frei programmierbare Logikschaltkreis als ein „Field Programmable Gate Array (FPGA)" ausgeführt.

Ein FPGA besteht z.B. unter anderem aus einer Matrix-Struktur aus konfigurierbaren Logikblöcken, Metalllayern zur Verbindung der CLBs (configurable logic blocks) und Ein- und Ausga beblöcken zur Impedanz- und Logikanpassung der I/O-Pins des Gehäuses. Die Logikblöcke werden als CLB bezeichnet. Des Weiteren können SRAM-Blöcke und BRAM-Blöcke für die Speicherung von Daten existieren. Manche Hersteller von FPGAs stellen zusätzlich PLLs (Phase Locked Loop), DLLs (Delay Locked Loop), Taktaufbereitungen (DCM, Digital Clock Manager) zur Verfügung. Da die CLBs der FPGAs einen synchronen Takt erhalten sollten, um unkalkulierbare Laufzeitunterschiede zu vermeiden (synchrones Desgin), sind meist Taktverteilerbäume notwendig. In der Regel werden sowohl Multiplizierer oder allgemeinere Recheneinheiten, als auch komplette Prozessoren in den FPGA integriert. Es gibt sowohl reprogrammierbare (RAM-basierte), als auch nur einmal programmierbare (OTP, ROM-basierte, Flash-ROM-basierte) FPGAs. RAM-basierte FPGAs laden ihre Hardwarekonfiguration typischerweise kurz nach dem Einschalten aus einem externen Flash-ROM.

Reprogrammierbare FPGA können beispielsweise für selbst konfigurierende Systeme eingesetzt werden. Diese Systeme können sich zu Laufzeit selbst umkonfigurieren, entsprechend der geforderten Eigenschaften für z.B. spezielle mathematische Algorithmen. Sie erreichen damit bisher unerreichte Verarbeitungsgeschwindigkeiten und eine Parallelverarbeitung.

Durch die Möglichkeit Informationen massiv parallel zu verarbeiten, benötigen die FPGAs nicht so hohe Taktfrequenzen wie Prozessoren, welche die Informationen sequentiell verarbeiten. In einem FPGA können sehr viele Additionen und Multiplikationen zur gleichen Zeit ausgeführt werden, während moderne Prozessoren selbst mit speziellen Befehlen nur einige wenige Operationen parallel verarbeiten können.

Eine weitere Steigerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit wird in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, dass der frei programmierbare Logikschaltkreis einen multiplizierlosen Algorithmus für die Leistungsfaktorkorrektur aufweist. Neben zahlreichen anderen Algorithmen zur Leistungsfaktorkorrektur findet man beispielsweise eine Grundlage für einen digital in ein Programm umgesetzten multiplizierlosen Algorithmus in:

– „Miniböck, J., Stögerer, F. und Kolar, J.W.: A Novel Concept for Mains Voltage Proportional Input Current Shaping of a VIENNA Rectifier Eliminating Controller Multipliers. Part I – Basic Theoretical Consideration and Experimental Verification, Proceedings of the 16^th IEEE Applied Power Electronics Conference, Anaheim, USA, 4.–8.März 2001, Vol. I pp. 582–586" und/oder in
– "Ben-Yaakov, S., und Zeltser, I.: PWM Converters with Resistive Input, Proceedings of the 37^th International Power Conversion Conference, Nürnberg, 26.–28. Mai 1998, pp.87–95.

Vorzugsweise weist der frei programmierbare Logikschaltkreis mindestens eine Schalt-Signalschnittstelle zu einem Schalteingang eines Umrichters auf. Im Hinblick auf eine optimale Ausgangsspannung kann die Ansteuerschaltung neben einer beispielsweise Dreiphasen- Leistungsfaktorkorrektur weitere Aufgaben übernehmen.

Mit Vorteil ist der Umrichter als Tiefsetzsteller ausgeführt. Ein Tiefsetzsteller kann beispielsweise eine höhere Ausgangsspannung des Stromrichters auf einen Nutzspannungsbereich von 0–600 V herunter regeln.

Eine vorteilhafte Erweiterung ist, dass der frei programmierbare Logikschaltkreis mindestens eine der folgenden Funktionalitäten aufweist:

– eine Analogmessung, insbesondere ein Auslesen von Strom- und/oder Spannungswerten über die Erfassungs-Signalschnittstelle,
– eine Stromrichter-Ansteuerung, vorzugsweise über die Steuer-Signalschnittstelle,
– eine Umrichter-Ansteuerung, insbesondere eine Tiefsetzsteller-Ansteuerung über die Schalt-Signalschnittstelle,
– eine Sicherheitsabschaltung und/oder Strombegrenzung, insbesondere für einen Überstrom und/oder eine Überspannung,
– ein Taktmanagement und/oder eine Taktkoordination,
– eine Steuerung des Gesamtsystems, vorzugsweise mittels eines Zustandsautomaten.

Beispielsweise kann in den frei programmierbaren Logikschaltkreis die Umsetzung aller oben genannten Funktionen oder Module erfolgen. Wird ein FPGA eingesetzt, so wählt der Fachmann zur Umsetzung und/oder Modellierung der Module eine Hardwarebeschreibungssprache, vorzugsweise eine „Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL)".

Im folgenden werden mögliche Ausgestaltungen der einzelnen Funktionen oder Module erläutert:

a) Unter der Funktionalität „Analogmessung" ist das Einlesen der benötigten Spannungs- und Stromwerte mittels des A/D-Wandlers über die Erfassungs-Signalschnittstelle zu verstehen, beispielsweise über eine serielle Schnittstelle. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit können die Messwerte mittels gleitender Mittelwertbildung gefiltert werden. Um die gemittelten Messwerte rechtzeitig, beispielsweise einem digital implementierten Regler zur Verfügung zu stellen, ist eine Zeitkonstante für eine Mittelwertbildung kleiner als die Abtastzeit der Regler zu wählen.
b) Mit der „Stromrichter-Ansteuerung" ist eine Ansteuerung bzw. eine Regelung des Stromrichters unter Berücksichtigung der Leistungsfaktorkorrektur zu verstehen. Beispielsweise besteht die Leistungsfaktorkorrektur aus zwei Regelkreisen: einem inneren Stromregelkreis, der den Strom proportional zur Netzspannung regelt, und einem äußeren Regelkreis, der über den Effektivwert des Stromes die Leistungsaufnahme des Stromreglers derart regelt, dass die am Ausgang stehende Spannung vorteilhaft eine konstante Gleichspannung ist. Bei zwei Ausgangsspannungen werden die Ausgangsspannungshälften symmetrisch eingestellt, um beispielsweise die Belastung an den Schaltern gering zu halten.
c) Unter der Funktionalität „Umrichter-Ansteuerung" ist vorzugsweise die Ansteuerung eines Tiefsetzstellers zu verstehen. Der Tiefsetzsteller erhält die Signale zum Schalten seines Leistungshalbleiterschalters über die Schalt-Signalschnittstelle.
d) Unter der Funktionalität „Sicherheitsabschaltung und/oder Strombegrenzung" ist im Wesentlichen eine Überwachung der Ströme und Spannungen zu verstehen. Ein Sicherheitsmodul schützt vorzugsweise durch Abschalten in Abhängigkeit von definierten Grenzwerten vor Überstrom und/oder Überspannung. Die Abschaltung erfolgt vorzugsweise statisch, d.h. unabhängig vom Taktsignal, damit auch in Folge einer Taktstörung noch sicher abschaltet wird. Die Sicherheitsfunktionalität ist Vorteilhafterweise teilweise im Zustandsautomaten zur Steuerung des Gesamtsystems integriert. Der Zustandsautomat nimmt die eigentliche Abschaltung vor. Das Sicherheitsmodul überwacht lediglich Strom und Spannung und signalisiert ein Überschreiten der festgelegten Grenzwerte dem Zustandsautomaten.
e) Unter der Funktionalität „Taktmanagement und/oder Taktkoordination" ist ein Modul welches sämtliche für die Signalverarbeitung der digitalen Logik und die Realisierung der digitalen Regelfunktionen benötigten Taktsignale zur Verfügung stellt. Eine weitere Aufgabe des Moduls ist die Koordination der Taktsignale, so wird z.B. der Auslesetakt der A/D-Wandler auf die zugehörigen Abtastfrequenzen der Regler angepasst und die Taktsignale für die Zähler der Trägersignale für eine Pulsweitenmodulation-Erzeugung (PWM) synchronisiert.

Über die zuvor genannten Funktionalitäten hinaus ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der frei programmierbare Logikbaustein für eine Phasenausfallerkennung hergerichtet und alle Phasenströme und/oder alle Phasenspannungen auf der Eingangsseite des Stromrichters werden erfasst.

Für die Bereitstellung von beispielsweise einer Versorgungsspannung und eines Stromes für Industrieanlagen wird die vorrichtungsbezogene Aufgabe gelöst durch eine Stromversorgungseinrichtung mit einer oben beschriebenen Ansteuerschaltung. Durch den Einsatz einer Stromversorgungseinrichtung mit Leistungsfaktorkorrektur und den zuvor genannten Funktionalitäten erhält man eine im höchsten Maße komfortable, sichere und Platz sparend aufgebaute Stromversorgungseinrichtung mit einer "Single-Chip-Lösung" als Ansteuerschaltung.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung ist, dass der Stromrichter ein Gleichrichter ist.

Weiterführend kann der Gleichrichter als Drei-Phasen-Gleichrichter ausgebildet sein.

Besonders Vorteilhaft ist, dass der Stromrichter als „Vienna Rectifier" oder als Sechs-Puls-Brückenschaltung ausgeführt ist. Der Vienna Rectifier ist ein dreiphasiger, dreistufiger Pulsgleichrichter mit nur drei Schaltern. Die netzseitige Stromaufnahme ist entsprechend neuer internationaler Vorschriften für Gleichrichtersysteme näherungsweise sinusförmig. Verglichen mit alternativen Gleichrichtern ist der Vienna Rectifier aufgrund eines neuartigen Leistungskreises wesentlich kleiner, leichter und kostengünstiger. Der Vienna Rectifier bietet einen Freiheitsgrad bei der Stromregelung, der zur Optimierung der Stromversorgungseinrichtung herangezogen werden kann. Für einen Einsatz des Vienna Rectifier ergeben sich beispielsweise folgende Optimierungsmöglichkeiten:

1. Um den Wirkungsgrad einer nach geschalteten DC/DC-Einheit zu vergrößern, kann der Mittelpunkt des Gleichrichters belastet werden.
2. Ein Netzstromrippel kann minimiert werden, um ein beispielsweise vorgeschriebenes EMV-Filter kleiner und kostengünstiger auszuführen.
3. Ein Kondensatorstromeffektivwert kann reduziert werden, um die Systemlebensdauer zu vergrößern.

Bei einer dreiphasig verketteten Eingangsspannung von ca. 400V kann beispielsweise eine Leistung von 10kW mit einer Ausgangsgleichspannung von 700V bei einem Wirkungsgrad von 97% erreicht werden.

Bei einer Verwendung einer digitalen Ansteuerschaltung wie beschrieben oder einer Stromversorgungseinrichtung wie beschrieben für eine oder in einer Sputteranlage und/oder einer Plasmaanlage I und/oder einer Beschichtungsanlage, können alle zuvor genannten Vorteile ausgenutzt werden und es kann ein hoch effizientes Arbeiten mit solchen Anlagen ermöglicht werden.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind nur schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigt die
1 eine schematische Darstellung einer digitalen Ansteuerschaltung für einen Stromrichter,
2 eine Stromversorgungseinrichtung und
3 eine Struktur einer Umsetzung der digitalen Ansteuerschaltung und wesentliche Signalwege bei einem VHDL-Entwurf für einen FPGA.
1 zeigt die schematische Darstellung einer digitalen Ansteuerschaltung 1 für einen Stromrichter 2. Die digitale Ansteuerschaltung 1 weist im wesentlichen einen frei programmierbaren Logikschaltkreis 3 auf, hier ein Field Programmable Gate Array (FPGA). Mit dem Einsatz eines FPGAs 3 in einer digitalen Ansteuerschaltung 1 kann diese digitale Ansteuerschaltung 1 vorzugsweise als "Single-Chip-Lösung" ausgestaltet werden. Ein Analog/Digital-Wandler 4 ist über eine Erfassungs-Signalschnittstelle S1 mit der digitalen Ansteuerschal tung 1 verbunden. Der Stromrichter 2 ist als ein Vienna-Rectifier ausgeführt und mit einem dreiphasigen Drehstromnetz verbunden. Der Stromrichter 2 wandelt die Wechselspannungen U_N,1, U_N,2 und U_N,3 in eine Gleichspannung um. Die auf der Eingangsseite 5 des Stromrichters angelegten Wechselspannungen werden in eine Gleichspannung gewandelt und auf der Ausgangsseite 6 des Stromrichters zur Verfügung gestellt.
Die dreiphasige Wechselspannung U_N,i(i = 1, ... 3), welche am Stromrichter 2 anliegt, wird über den Analog/Digital-Wandler 4 gewandelt und über die Erfassungs-Signalschnittstelle S1 an die digitale Ansteuerschaltung 1 weitergegeben. Auch die drei Phasenströme I_N,i und die gleichgerichtete Ausgangsspannung U_A werden über den Analog/Digital-Wandler 4 mittels Signalleitungen über die Erfassungssignalschnittstelle S1 an die digitale Ansteuerschaltung 1 und somit an den FPGA 3 weitergegeben. Über eine Steuer-Signalschnittstelle S2 werden dem Stromrichter 2 über einen Steuereingang 10 die vorzugsweise pulsweiten modulierten Steuersignale für die Leistungshalbleiter des Stromrichters 2 mitgeteilt.
Über eine Schaltsignalstelle S3 ist ein Umrichter 12, insbesondere ein Tiefsetzsteller, durch einen Schalteingang 11 mit der digitalen Ansteuerschaltung 1 verbunden. Über Speicherelemente wie Kondensatoren und Induktivitäten (nicht dargestellt) stabilisiert und glättet der Tiefsetzsteller 12 die durch den Stromrichter 2 gleichgerichete Ausgangsspannung.
Ein im FPGA 3 vorhandenes Programm steuert den Stromrichter 2 derart, dass die Eingangsströme I_N,i in Phase mit den Eingangsspannungen U_N,i liegen und der Stromrichter 2 sich wie eine Ohmsche Last gegenüber einem Versorgungsnetz verhält. Gleichzeitig regelt das Programm im FPGA die Ausgangsspannung U_A des Stromrichters 2 bzw. des Umrichters 12 auf einen konstanten Wert, auch bei schwankender Leistungsaufnahme bleibt die Ausgangsspannung U_A konstant. Als Grundlage für einen digitalen Algorithmus des Programms dient ein multiplizierloses Verfahren zur Leistungsfaktorkorrektur nach beispielsweise "Miniböck". Diese Basis ist erweitert durch digitale Regelalgorithmen und Sicherheitsvorkehrungen. Mit einer Kombination aus Regelalgorithmen, Sicherheitsvorkehrungen und der Leistungsfaktorkorrektur wird ein einfaches aber robustes Gesamtsystem erreicht. Das Steuerungsverfahren erfolgt rein digital, nur für die Messwerterfassung ist eine analoge Elektronik notwendig. Bei hohen Abtastraten, welches für eine schnelle Regelung notwendig ist, ist es besonders vorteilhaft einen sehr schnellen A/D-Wandler 4 einzusetzen. Auch aufgrund der hohen Geschwindigkeit, welche hier für eine Stromregelung nötig ist, wird ein FPGA 3 zur Umsetzung verwendet, da hier die gesamte Logik parallel verarbeitend ausgeführt wird und die Möglichkeit zu kleinen und variablen Abtastzeiten besteht. Bei einer alternativen Realisierung mittels eines beispielsweise digitalen Signalprozessors würde sich der höhere Aufwand bei der Realisierung der Signalverarbeitung und das Fehlen integrierter Analog/Digital-Wandler nachteilig auswirken. Der FPGA-Baustein 3 nach der Erfindung übernimmt die gesamte Signalverarbeitung und Regelung der Stromrichter und Tiefsetzstellersysteme, d.h. auch ein Abschalten im Fehlerfalle und eine Begrenzung der Eingangsströme im Einschaltmoment wird durch den FPGA-Baustein 3 gesteuert.
Die wesentlichen Signale sind die zu erfassenden Messgrößen und die Ansteuersignale für die Leistungsschalter im Stromrichter 2.
Zur Regelung des Vienna-Rectifiers 2 genügt es, zwei der drei Eingangsströme I_N,i und die Ausgangsspannung U_A zu messen. Aufgrund eines nicht angeschlossenen Neutralleiters im Dreiphasensystem ist die Messung von zwei Strömen ausreichend, da sich der dritte Strom aus den anderen beiden Strömen errechnen lässt.
Für die Regelung des Tiefsetzstellers 12 müssen die Ausgangsspannung U_A und der Strom des Tiefsetzstellers I_A gemessen werden.
Weitere nicht dargestellte Funktionalitäten des FPGAs 3 sind eine Ein- und Ausgabe von Statusinformationen, eine Ansteuerung von LED-Anzeigen und eine Integration einer Schnittstelle für eine übergeordnete Regelung.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromversorgungseinrichtung 50, welche eine detailliertere Darstellung zu 1 ist. Der Stromrichter 2 ist an das dreiphasige Wechselstromnetz U_N,i angeschlossen. Der A/D-Wandler 4 erfasst sämtliche Spannungen des dreiphasigen Wechselstromnetzes. Da es genügt zwei Phasenströme I_N,i des dreiphasigen Wechselstromnetzes zu messen, ist der A/D-Wandler 4 für eine Messung von zwei Phasenströmen I_N,i hergerichtet. Zwischen dem Stromrichter 2 und den Umrichter 12 werden die Zwischenkreisspannungen U_ZK abgegriffen. Über je einen Kondensator C1 und C2 werden die Zwischenkreisspannungen U_ZK/2 gemessen und an den Analog/Digital-Wandler 4 geführt. Für eine stabile Regelung müssen des weiteren die gleichgerichtete Ausgangsspannung U_A und der gleichgerichtete Ausgangsstrom I_A gemessen werden und über den Analog/Digital-Wandler 4 dem FPGA 3 mitgeteilt werden.
3 zeigt eine Struktur einer Umsetzung der digitalen Ansteuerung 1 und wesentliche Signalwege bei einem VHDL-("Very High Speed Integrated Curcuit Hardware Description Language")-Entwurf für den FPGA 3. Die Umsetzung besteht aus unterschiedlichen Modulen: einer Analogmessung 20, einer Stromrichter-Ansteuerung 21, einer Umrichter-Ansteuerung 22, einer Sicherheitsabschaltung 23, einem Taktmanagement und/oder einer Taktkoordination 24 und einer Steuerung des Gesamtsystems 25, vorzugsweise durch einen Zustandsautomaten. Als Eingangsgrößen für die Analogmessung liegen die Spannung U_A, der Strom I_A, die beiden Zwischenkreisspannungen U_ZK/2 und zwei der drei Phasenströme I_N,i an. Ein zentrales Taktmanagement 24 versorgt alle taktgesteuerten Komponenten mit Taktsignalen 31, 32, 33 und 34. Das Modul Taktmanagement 24 erhält einen externen Takt 30. Das Modul Taktmanagement 24 gibt einen aufbereiteten Takt für die Analogmessung 31 über einen Vierfach signalweg an das Modul Analogmessung 20. Ebenso werden das Modul Stromrichteransteuerung 21 und das Modul Umrichteransteuerung 22 über eine Vierfachsignalleitung mit dem Takt für die Stromrichteransteuerung 32 und dem Takt für die Umrichteransteuerung 34 versorgt. Die Steuerung des Gesamtsystems 25 wird mit einem Takt für die Ablaufsteuerung 33 über einen einfachen Signalweg versorgt. Die durch das Modul Analogmessung 20 ermittelten digitalen Spannungs- und Stromwerte U_ZK/2 und I_A werden über zwei Zweifachsignalwege an das Modul Stromrichteransteuerung 21 weitergeleitet. Die digitalisierten Spannungs- und Stromwerte U'_A und I'_A werden über je einen einfachen Signalweg an das Modul Umrichtersteuerung 22 weitergeleitet. Einem Sicherheitsmodul 23 bzw. einer Sicherheitsabschaltungsfunktionalität 23 werden ebenfalls über einfache Signalwege die zuvor genannten Spannungen und Ströme weitergeleitet. Für eine spätere Auswertung werden der Steuerung des Gesamtsystems 25 über zwei Vierfachsignalwege 40 und 41 die Stati von Strom und Spannung mitgeteilt. Die Steuerung des Gesamtsystems 25 stellt für das Modul Umrichteransteuerung 22 und für die Stromrichteransteuerung 21 jeweils ein Enable-Signal (Umrichter EIN/AUS 36 und Stromrichter EIN/AUS 37) bereit. Über einen gemeinsamen Reset 35 werden die Module Analogmessung 20, Stromrichteransteuerung 21, Umrichteransteuerung 22 und die Steuerung des Gesamtsystems 25 mit einem Resetsignal versorgt. Über zusätzliche Ausgangssignalwege nämlich einen Relaisausgang 38 und einen Ausgang für Statusanzeigen 39 wird eine nicht dargestellte übergeordnete Peripherie angesteuert.
Die Aufgabe des Moduls Analogmessung 20 ist das Einlesen der Spannungs- und Stromwerte über den A/D-Wandler 4 (siehe 2). Zur Verbesserung der Messgenauigkeit werden die Messwerte mittels gleitender Mittelwertbildung gefiltert. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass die gemittelten Messwerte rechtzeitig der dem jeweiligen Regler entsprechenden Software-Implementation zur Verfügung gestellt werden.
Mit dem Modul Stromrichteransteuerung 21 ist eine softwaremäßige Umsetzung aus zwei Regelkreisen realisiert: einem inneren Stromregelkreis, der den Strom proportional zur Netzspannung regelt, und einem äußeren Regelkreis, der über einen Effektivwert des Stromes eine Leistungsaufnahme des Vienna-Rectifiers so regelt, dass eine am Ausgang stehende Spannung eine konstante Gleichspannung ist. Zusätzlich werden zwei Zwischenkreisspannungen U_zk/2 als symmetrische Ausgangsspannungen, um die Belastungen an den Leistungshalbleiterschaltern in dem Stromrichter gering zu halten, symmetrisch eingstellt.
Eine innere Regelschleife arbeitet nach dem multiplizierlosen Verfahren, wobei ein Referenzsignal nicht direkt der gemessenen, sondern der um die dritte Harmonische und um ein Offset-Signal zur Symmetrierung der Ausgangsspannungen erweiterter Eingangsstrom ist. Ein Dreiecksträgersignal wird durch einen Zähler mit veränderlicher Schrittweite realisiert. Die Schrittweite, welche die Amplitude und damit die Höhe eines Eingangsleitwertes des Vienna-Rectifiers festlegt, ist dabei ein Ausgangssignal eines Spannungsreglers. Da die Polarität des Stromes für die Schaltsignale des Stromrichters 2 von Bedeutung ist, muss diese erfasst und berücksichtigt werden. Im Gegensatz zu einer analogen Realisierung kann man hier die Unbestimmtheit der Polarität, die sich im Bereich des Stromnulldurchgangs aufgrund des geringen Stromwertes zeigt, nicht durch die Nutzung zweier Trägersignale kompensieren, denn um ein Trägersignal mit dem gemessenen Eingangsstrom vergleichen zu können, ist die Information über das Vorzeichen des Stromes nötig. Die mittels des Moduls Stromrichteransteuerung 21 generierten Schaltsignale 43 für den Stromrichter 2 werden über die Steuer-Signalschnittstelle S2 zur Verfügung gestellt.
Zur Realisierung der Implementierung für die Regelung des Tiefsetzstellers wird in dem Modul Umrichteransteuerung 22 eine Kaskadenstruktur eingesetzt. Ein Regler in Kaskadenstruktur besteht aus einem inneren Stromregelkreis, welcher den Ausgangsstrom I_A direkt regelt, und einem überlagerten Spannungsregelkreis, der die Ausgangsspannung U_A auf einen konstanten Wert hält. Benötigte PI-Regler können aufgrund der hohen Taktfrequenz des FPGAs 3 als quasi kontinuierliche Regler entworfen und als Algorithmus im FPGA genutzt werden.
Die Sicherheitsabschaltung 23 schützt die gesamte Schaltung in Abhängigkeit von definierten Grenzwerten vor Überstrom und Überspannung. Das Modul Sicherheitsabschaltung 23 ist teilweise im Zustandsautomaten der Steuerung des Gesamtsystems 25 integriert. Die Steuerung des Gesamtsystems 25 nimmt die eigentliche Abschaltung bei Überstrom oder Überspannung vor. Das Sicherheitsmodul 23 überwacht lediglich Strom und Spannung und signalisiert das Überschreiten der festgelegten Grenzwerte an die Steuerung des Gesamtsystems 25.
Die Regelung und/oder Steuerung des Gesamtsystems 25 sorgt für die ordnungsgemäße Funktion der vollständigen Schaltung. Während die Ansteuerungen für den Vienna-Rectifier 21 und den Tiefsetzsteller 22 in parallel verarbeitender Logik ausgeführt sind, ist diese zusätzliche Ablaufsteuerung in Form eines Zustandsautomaten und/oder Zustandsgrafens ausgeführt. Eine Ausführung als Zustandsgraf ist besonders vorteilhaft um einen sequentiellen Ablauf der Schaltung zu steuern. Beispielsweise ist ein möglicher Ablauf bei Hochlauf der Stromversorgungseinrichtung 50, zuerst die Kondensatoren über Vorladewiderstände aufzuladen, diese danach durch ein Relais zu überbrücken und erst dann den Vienna-Rectifier einzuschalten. Weitere Aufgaben sind eine An- und Abschaltung des Tiefsetzstellers, eventuell ein Aussetzbetrieb im Falle niedriger Last zu veranlassen und die allgemeine Überwachung des Gesamtsystems.
Die Strukturierung in Funktionsblöcke und die Kenntnis über digitale Regelalgorithmen, insbesondere der Algorithmus für ein multiplizierloses Rechenverfahren machen eine digitale Umsetzung in ein FPGA möglich. In einer Ausführungsform solch einer digitalen Ansteuerschaltung lässt sich der Platzbedarf für eine Platine um die Hälfte reduzieren.
Eine darüber hinaus gehende Ausführungsform ist die Realisierung eines digitalen Ansteuerkonzeptes für eine Dreiphasen-Leistungsfaktorkorrektur in einem ASICs.

Claims

Verwendung eines „Field Programmable Gate Array (FPGA)" zur Realisierung einer digitalen Ansteuerschaltung (1) für einen gesteuerten Stromrichter (2).
Digitale Ansteuerschaltung (1) mit einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC) für einen gesteuerten Stromrichter (2), gekennzeichnet, durch einen frei programmierbaren Logikschaltkreis (3), der mindestens eine Erfassungs-Signalschnittstelle (S1) zu einem Analog/Digital-Wandler (4), welcher zum Erfassen von mindestens einem Phasenstrom (I_N,i) auf einer Eingangsseite (5) des Stromrichters (2) und/oder einer Ausgangsspannung (U_A) auf einer Ausgangsseite (6) des Stromrichters (2) hergerichtet ist, und mindestens eine Steuer-Signalschnittstelle (S2) zu einem Steuereingang (10) des Stromrichters (2) aufweist.
Digitale Ansteuerschaltung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der frei programmierbare Logikschaltkreis (3) als ein „Field Programmable Gate Array (FPGA)" ausgeführt ist.
Digitale Ansteuerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der frei programmierbare Logikschaltkreis einen multiplizierlosen Algorithmus für die Leistungsfaktorkorrektur (PFC) aufweist.
Digitale Ansteuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der frei programmierbare Logikschaltkreis (3) mindestens eine Schalt-Signalschnittstelle (53) zu einem Schalteingang (11) eines Umrichters (12) aufweist.
Digitale Ansteuerschaltung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (12) als Tiefsetzsteller ausgeführt ist.
Digitale Ansteuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der frei programmierbare Logikschaltkreis (3) mindestens eine der folgenden Funktionalitäten aufweist: – eine Analogmessung (20), insbesondere ein Auslesen von Strom- und/oder Spannungswerten (I_N,i, U_N,i, U_A) über die Erfassungs-Signalschnittstelle (S1), – eine Stromrichter-Ansteuerung (21), vorzugsweise über die Steuer-Signalschnittstelle (S2), – eine Umrichter-Ansteuerung (22), insbesondere eine Tiefsetz-steller-Ansteuerung über die Schalt-Signalschnittstelle (S3), – eine Sicherheitsabschaltung und/oder Strombegrenzung (23), insbesondere für einen Überstrom und/oder eine Überspannung, – ein Taktmanagement und/oder eine Taktkoordination (24), – eine Steuerung des Gesamtsystems (25), vorzugsweise mittels eines Zustandsautomaten.
Digitale Ansteuerschaltung (1) nach. einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der frei programmierbare Logikbaustein (3) für eine Phasenausfallerkennung hergerichtet ist und alle Phasenströme (I_N,i) und/oder alle Phasenspannungen (U_N,i) auf der Eingangsseite (5) des Stromrichters (2) erfasst.
Stromversorgungseinrichtung (50) mit einer Ansteuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8.
Stromversorgungseinrichtung (50) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) ein Gleichrichter ist.
Stromversorgungseinrichtung (50) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) als Drei-Phasen-Gleichrichter ausgebildet ist.
Stromversorgungseinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) als „Vienna-Rectifier" oder als Sechs-Puls-Brückenschaltung ausgeführt ist.
Verwendung einer digitalen Ansteuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8 oder einer Stromversorgungseinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 für eine oder in einer – Sputteranlage und/oder – Plasmaanlage und/oder – Beschichtungsanlage.