DE102007045220A1 - Mehrphasen-Symmetrierungsregler zur Regelung der Phasen-Modulströme - Google Patents

Mehrphasen-Symmetrierungsregler zur Regelung der Phasen-Modulströme Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrphasen-Symmetrierungsregler zur Regelung der Phasen-Modulströme eines Mehrphasensystems mit wenigstens zwei parallel geschalteten Phasen-Modulen, die vorteilhafterweise mit einem vorgegebenen Phasenversatz angesteuert werden, wobei ein Phasen-Modul als Master-Phase und die übrigen Phasen-Module als Slave-Phasen definiert sind. Erfindungsgemäß ist der Mehrphasen-Symmetrierungsregler als Regelstruktur mit parallel angeordneten Phasenreglern aufgebaut, wobei die Anzahl der Phasenregeler der Anzahl aller Phasen-Module entspricht. Der erste Phasenregler ist als Summenregler ausgebildet, der das Summenverhalten aller Phasen-Module regelt. Die übrigen Phasenregler sind als Phasen-Symmetrierungsregler ausgebildet, welche die Abweichungen des Phasen-Modulstroms einer jeweiligen Slave-Phase zum Phasen-Modulstrom der Master-Phase ausregeln.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrphasen-Symmetrierungsregler zur Regelung der Phasen-Modulströme eines Mehrphasensystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Für die Kopplung von elektrischen Spannungsnetzen werden Spannungswandler (Stromrichter) eingesetzt. Dadurch kann eine elektrische (Eingangs-)Spannung in eine andere (Ausgangs-)Spannung umgewandelt werden. Bei den verschiedenen Spannungswandlern unterscheidet man nach den Arten Gleichspannung (DC) oder Wechselspannung (AC) der Eingangs- und Ausgangsspannung. Diese Spannungswandler sind als elektrische Schaltungen mit verschiedenen elektronischen Bauteilen aufgebaut. Die Stromtragfähigkeit der elektronischen Bauteile (z. B. Halbleiterschalter, Induktivitäten und Kapazitäten) ist begrenzt. Um bei gleich bleibender Technologie die Stromtragfähigkeit eines Gesamtsystems zu erhöhen, können mehrere Bauteile parallel geschaltet werden. Bei der Parallelschaltung von schaltenden Elementen (Halbleiterschalter wie MOSFET oder IGBT) können bspw. die Durchlassverluste minimiert werden. Die Schaltverluste des Gesamtsystems werden durch eine Parallelschaltung der Halbleiterschalter nicht oder unwesentlich reduziert.
  • Werden gesamte Wandlereinheiten, insbesondere sog. DC/DC-Wandler, oder Teile der Leistungsstufe parallel geschaltet, wobei die Schaltelemente einzeln, vorzugsweise mit einem Phasenversatz von (2·PI)/(Anzahl der Phasen-Module) angesteuert werden, spricht man von sog. Mehrphasen- Wandlern bzw. Mehrphasensystemen. Eine Wandlereinheit oder Leistungsstufen-Einheit wird im Folgenden als Phasen-Modul bezeichnet.
  • Jeder parallel angeordnete Wandler bzw. Pfad der Leistungsstufe entspricht einem Phasen-Modul. Durch die phasenversetzte Ansteuerung ergeben sich an den Wandlersummenpunkten – wegen der Überlagerung der Phasen-Modulströme – entsprechend der Anzahl der Phasen-Module eine erhöhte Frequenz der Stromwelligkeit und insbesondere in den kapazitiven Bauelementen reduzierte Effektivströme. Dadurch können Kosten und Volumen, insbesondere der Bauelemente der EMV-Filter, reduziert werden.
  • Um den oben genannten Vorteil bei Mehrphasensystemen nutzen zu können, müssen die Ströme in vielen Fällen gleichmäßig oder „symmetrisch" auf die einzelnen Phasen-Module aufgeteilt werden. Eine Symmetrierung der Phasen-Modulströme ist auch deshalb notwendig, da unsymmetrische Phasen-Modulströme zu unsymmetrischen Bauteilbelastungen führen. Aufgrund von Unsymmetrien wird das EMV-Verhalten verschlechtert. Um eine Symmetrierung der Phasen-Modulströme zu erreichen, werden in erster Linie der Aufbau, sowie die Anbindungen der einzelnen Phasen-Module so symmetrisch wie möglich gestaltet. Aufgrund von Faktoren wie bspw. Bauteiltoleranzen und/oder inhomogenen thermischen Bedingungen kann es jedoch zu Abweichungen der Phasen-Modulströme kommen.
  • Trägt ein Phasen-Modul mehr Strom als ein anderes, wird dieses mehr als andere erwärmt. Der Wirkungsgrad nimmt durch eine Erwärmung gewöhnlich ab, wodurch sich der Strom wieder mehr in andere Phasen-Module verlagert. Dieser Effekt wird als „Thermische-Gegenkopplung" bezeichnet und tritt insbesondere bei niederimpedanten Wandlersystemen (wirkungsgradoptimierten Wandlersystemen) auf, da diese zu träge sind, um eine symmetrische Stromaufteilung zu erreichen. Weiterhin werden folgende Maßnahmen eingesetzt um eine symmetrische Stromaufteilung zu erzielen.
  • Eine Anhebung der Ausgangsimpedanz der Phasen-Module zur Symmetrierung der Phasen-Modulströme reduziert die Auswirkung von Bauteiltoleranzen durch Verstärkung der „Thermischen-Gegenkopplung". Nachteilig an der Impedanzerhöhung sind jedoch die resultierenden höheren Verluste.
  • Alternativ wird zur Symmetrierung der Phasen-Modulströme auch das sog. „Load Sharing Prinzip" eingesetzt. Dabei wird jedes Phasen-Modul durch einen eigenen Regler auf den entsprechenden Sollwert geregelt. Der Sollwert jedes Phasen-Moduls wird durch den Gesamtsollstrom pro Anzahl der Phasen-Module berechnet. Aufgrund der phasenversetzten Ansteuerung der Schalter in den Phasen-Modulen und den unsymmetrischen Verzugszeiten in der Signalkette der einzelnen Reglerschleifen entstehen bei Störungen an den Summenpunkten (bspw. aufgrund von Lastwechsel oder Welligkeit der Eingangsspannung) Schwingungen der Phasen-Modulströme. Eine Steigerung der Reglerbandbreite – um die Schwingungen zu reduzieren – ist technologisch nicht immer machbar, bzw. durch die energiespeichernden Bauelemente (Induktivitäten) begrenzt oder sehr kostenintensiv.
  • Alternativ können zur Symmetrierung der Phasen-Modulströme auch sog. Master/Slave Regler verwendet werden. Der Masterregler (1. Phasen-Modul) regelt gewöhnlich auf eine konstante Ausgangsspannung. Die Slave-Regler (übrige Phasen-Module) ändern die Sollwertspannungen für die anderen Phasen-Module derart ab, dass sich die Ströme gleichmäßig auf alle Phasen-Module verteilen. Jedes Phasen-Modul besitzt somit eine eigene Reglereinheit mit leicht unterschiedlichen Spannungs-Sollwertvorgaben. Nachteilig ist hier die Schwingungsanfälligkeit des Systems.
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gesteuerten Parallelbetrieb von Gleichspannungswandlern ist in der DE 198 05 926 A1 offenbart. Hierbei übt einer der Gleichspannungswandler eine Master-Funktion aus und arbeitet mit einer Spannungsregelung. Die übrigen Wandler üben Slave-Funktionen aus und dienen als Stromquellen. Die Regelung erfolgt derart, dass in Abhängigkeit vom Gesamtstrombedarf der Strombedarf entweder durch einen der Gleichspannungswandler gedeckt wird, oder die Deckung des Gesamtstrombedarfs auf die Gleichspannungswandler aufgeteilt wird. Eine symmetrische Aufteilung der Ströme ist in diesem Fall nicht gegeben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen zum bekannten Stand der Technik verbesserten Mehrphasen-Symmetrierungsregler zur Regelung der Phasen-Modulströme anzugeben, welcher die Phasen-Modulströme unter minimalem Schwingungsverhalten symmetriert.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Mehrphasen-Symmetrierungsregler nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Prinzipiell wird bei der Erfindung von einem Mehrphasensystem mit wenigstens zwei parallel geschalteten Wandlerstufen bzw. Phasen-Modulen ausgegangen, die vorteilhafterweise identisch aufgebaut sind. Die Schalter der einzelnen Phasen-Module werden vorzugsweise mit einem vorgegebenen Phasenversatz angesteuert. Die Ansteuerung soll derart erfolgen, dass die Ströme der einzelnen Phasen-Module – über eine Schaltperiode gemittelt – gleich hoch, also „symmetrisch" sind.
  • Der erfindungemäße Mehrphasen-Symmetrierungsregler zur Regelung der Phasen-Modulströme zeichnet sich dadurch aus, dass er als Reglerstruktur mit parallel angeordneten Phasenreglern aufgebaut ist. Die Anzahl der Phasenregler entspricht dabei der Anzahl der Phasen-Module des Mehrphasensystems, wobei ein erster Phasenregler als Master-Regler, und die übrigen Phasenregler als Slave-Regler ausgebildet sind. Wesentlich bei der Erfindung ist, dass ein erster Phasenregler (= Masterregler) als Summenregler ausgebildet ist, der das Summenverhalten der einzelnen Phasen regelt. Dies bedeutet, dass der Summenregler aus der Differenz der Soll- und Istwerte der summierten Phasen-Modulströme zumindest eine (Ausgangs-)Stellgröße ableitet, welche zur Ansteuerung aller Phasen-Module bzw. aller der Master-Phase zugeordneten Phasen-Module und Schaltelemente, insbesondere der Halbleiterschalter, verwendet wird. Die ermittelte (Ausgangs-)Stellgröße des Summenreglers wird als Stellgröße, oder zumindest als Teil der Stellgröße aller Phasen-Module herangezogen. Die Stellgröße wird derart ermittelt, dass die Abweichung der Istgröße von der Sollgröße, d. h. der Regelfehler möglichst klein wird.
  • Die Erfindung zeichnet sich weiter dadurch aus, dass die übrigen Phasenregler (= Slave-Regler) als Phasen-Symmetrierungsregler ausgebildet sind, welche die Abweichungen des Phasen-Modulstroms des jeweiligen Phasen-Moduls zum Phasen-Modulstrom einer Master-Phase regeln. Dies bedeutet, dass zur Symmetrierung der Phasen-Modulströme die (Ausgangs-)Stellgröße des Summenreglers mit der (Ausgangs-)Stellgröße der Slave-Regler der jeweiligen Phasen-Module addiert wird. Die sich daraus ergebende Summenstellgröße wird dann zur Ansteuerung des jeweiligen Phasen-Moduls verwendet.
  • In einer vorteilhaften Ausführung kann der Summenregler (Master-Regler) auch als Spannungsregler oder Leistungsregler mit entsprechenden Soll- und Istwerten ausgeführt sein, wobei die übrigen Phasen-Symmetrierungsregler (Slave-Regler) weiterhin eine symmetrische Stromaufteilung derart einstellen, dass die Slave-Regler den jeweiligen Phasen-Modulstrom bzgl. des Stroms in der Master-Phase symmetrieren. Erweiterungen der Reglerstruktur, insbesondere beim Summenregler, mit einer Vorwärts- und/oder Rückwärtskompensation und/oder Vorsteuerungen können ebenfalls appliziert werden.
  • Kommt es bspw. zu einer Laständerung an dem Mehrphasensystem, wirkt sich die dadurch verursachte Störgröße lediglich auf den Summenregler (= Master-Regler) aus. Der bzw. die (Phasen-)Symmetrierungsregler (= Slave-Regler) greifen erst dann ein, wenn eine Abweichung der beiden zu vergleichenden Phasen-Modulströme messbar ist. Durch den Aufbau der Reglerstruktur werden das Summenverhalten und die Phasen-Modulströme quasi entkoppelt geregelt, wobei hierfür kein sog. Entkopplungsregler implementiert werden muss. Für die Ausregelung der Summenstörungen und Phasen-Modulstörungen können unterschiedliche Reglerbandbreiten eingestellt werden. Schwingungen der Phasen-Modulströme können dadurch im Vergleich zu anderen Verfahren, wie beispielsweise dem Load Sharing Prinzip, reduziert werden.
  • Besonders vorteilhaft kann die Reglerbandbreite in einem digitalen Reglersystem an die zu erwartenden Störungen eingestellt werden. Hierbei können die einzelnen Regler unterschiedlich hoch priorisiert und unterschiedlich schnell prozessiert werden. Im Vergleich zu anderen Realisierungen, insbesondere dem Load-Sharing Verfahren, kann dadurch zusätzlich Rechenzeit eingespart werden.
  • Der erfindungsgemäße Mehrphasen-Symmetrierungsregler kann vorteilhaft in unterschiedlichen Arten von Spannungswandlern (Gleichspannungs- oder Wechselspannungssystem wie DC/DC-Wandler, AC/DC-Wandler, DC/AC-Wandler, oder AC/AC-Wandler) eingesetzt werden. Ebenso können die Ausgestaltungen des Summenreglers sowie der Phasen-Symmetrierungsregler frei gewählt werden. PID-Regler sowie deren Ableitungen, insbesondere PI- und I-Regler, sowie Reglerformen wie Dead-beat-Regler oder modellbasierte Regelungen, insbesondere IMC (= Internal Model Control), oder FUZZY-Logic-Regler können eingesetzt werden. Besonders bei unterschiedlichen Anforderungen an die Reglerbandbreiten ist es vorteilhaft, wenn für den Master-Regler und für die Slave-Regler unterschiedliche Reglerformen eingesetzt werden.
  • Da bei einer Ansteuerung mehrerer Phasen-Module mit gleichem Tastverhältnis Abweichungen der einzelnen Phasen-Modulströme insbesondere durch parasitäre Effekte entstehen, wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Regelstruktur zusätzlich durch einen Begrenzer erweitert, der die Ausgangsgröße der Phasen-Symmetrierungsregler auf einen vorgegebenen Stellgrößenbereich begrenzt. Dies bedeutet, die Ausgangsgröße wird nach oben und unten begrenzt. Die Grenzen des vorgegebenen Stellgrößenbereichs werden derart gewählt, dass diese bei fehlerfreiem Betrieb nicht erreicht werden und die Ausgangsgrößen der Phasen-Symmetrierungsregler somit von der Begrenzung nicht durch eine Sättigung beeinflusst werden.
  • Das Erreichen der Grenzen kann mittels einer weiteren Einheit, welche hier nicht näher erläutert ist, zur Fehlerdetektion eingesetzt werden. Mit Hilfe der Sättigungsrichtung kann auch ein Defekt bzw. Ausfall lokalisiert werden. Die Fehlererkennungseinheit kann sowohl im Mehrphasenwandler als auch in einem eigenen Steuergerät umgesetzt sein.
  • Die Fehlerdetektion kann in einer vorteilhaften Weiterbildung auch für den Notlaufbetrieb des Spannungswandlersystems genutzt werden. Im Notlaufbetrieb muss der Wandler somit nicht zwingend abgeschaltet werden, was eine erhöhte Systemverfügbarkeit ermöglicht.
  • Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt die
  • 1 ein mehrphasig ausgeführtes Spannungswandlersystem nach dem Stand der Technik,
  • 2 eine erfindungsgemäße Realisierungsmöglichkeit eines Mehrphasen-Symmetrierungsreglers mit 2 Phasen,
  • 3 eine erfindungsgemäße Realisierungsmöglichkeit eines Mehrphasen-Symmetrierungsreglers mit 3 Phasen,
  • 4 eine beispielhafte Einbindung eines Mehrphasen-Symmetrierungsreglers in ein Gesamtsystem, und
  • 5 eine erfindungsgemäße Realisierungsmöglichkeit eines Mehrphasen-Symmetrierungsreglers mit 2 Phasen und einem Begrenzer.
  • Die 1 zeigt ein beispielhaftes Mehrphasensystem nach dem Stand der Technik. Bei diesem System handelt es sich um einen 2-Phasen Boost-Wandler (Hochsetzsteller), welches eine Eingangsspannung Vin in eine Ausgangsspannung Vout wandelt. Das Mehrphasensystem umfasst zwei Boost-Halbbrücken, also zwei Phasen-Module, wobei beide Phasen-Module eine Speicherinduktivität La bzw. Lb, Halbleiterschalter LSa, HSa bzw. LSb, HSb sowie jeweils eine Ansteuereinheit PWMa bzw. PWMb umfasst. Durch die Drosseln La bzw. Lb der Wandlerphasen fließt der Strom ILa bzw. ILb. Beide Phasen-Module sind bei der Eingangspannung Vin und der Ausgangsspannung Vout an den Summenpunkten verbunden. Dort befinden sich üblicherweise noch Filteranordnungen, welche hier vereinfacht als Kondensatoren C1 und C2 schematisch abgebildet sind. Jedes der beiden Phasen-Module bzw. Halbbrücken wird mit einer Stellgröße Da bzw. Db (hier Tastverhältnis) angesteuert. Die Generierung der Pulsfolgen für die Halbleiterschalter LSa, HSa bzw. LSb, HSb (Komplementärsignal, Totzeiten, Phasenversatz, usw.) wird in den nicht näher erläuterten Ansteuereinheiten PWMa bzw. PWMb realisiert. Ziel ist es nun, die beiden Phasen-Modulströme ILa und ILb der zwei Phasen-Module bzw. Wandlerstufen durch eine Phasen-Symmetrierungsregelung über eine Schaltperiode gemittelt gleich zu halten.
  • Eine beispielhafte Realisierung eines vorgeschlagenen Mehrphasen-Symmetrierungsreglers MSR ist schematisch in der 2 dargestellt. Der Mehrphasen-Symmetrierungsregler MSR ist als Reglerstruktur mit parallel angeordneten Phasenreglern A und B aufgebaut. Die Anzahl der Phasenregler entspricht der Anzahl der Phasen-Module, d. h. das zu regelnde Mehrhasensystem umfasst zwei Phasen-Module. Ein erster Phasenregler A, auch Master-Regler genannt, ist als Summenregler SuR ausgebildet, und regelt das Summenverhalten der einzelnen Phasen, d. h. er stellt beispielsweise aufgrund der Abweichung des tatsächlichen Gesamtstrom Ist_I zum Gesamtsollstroms Soll_I durch die Stellgröße Da, welche in der Summierstelle DbSum auch für die Bildung der Stellgröße Db herangezogen wird, das Summenverhalten des Mehrphasensystems ein.
  • Die übrigen Phasenregler B, auch Slave-Regler genannt, regeln die Abweichungen der einzelnen Phasen-Modulströme. In diesem Beispiel ist somit nur der zweite von zwei vorhandenen Phasenreglern als Phasen-Symmetrierungsregler SyR ausgebildet. Dieser regelt die Abweichungen des ermittelten Phasen-Modulstroms Ist_b des zweiten Phasen-Moduls (Slave-Phase) zum ermittelten Phasen-Modulstrom Ist_a des ersten Phasen-Moduls (Maser-Phase). Zur Symmetrierung der Phasen-Modulstromabweichung wird die vom Summenregler SuR erzeugte Stellgröße Db' in einer Summierstelle DbSum zusätzlich vom Phasen-Symmetrierungsregler SyR beeinflusst. Dadurch ergibt sich die Stellgröße Db = Db' + Da für die Ansteuerung des zweiten Phasen-Moduls.
  • Das vorgeschlagene Prinzip für den Mehrphasen-Symmetrierungsregler kann für Mehrphasensysteme mit beliebig vielen Wandlerstufen bzw. Phasen-Module erweitert werden, wobei jeweils mind. einem Phasenregler die Funktion eines Master-Regler und den übrigen Phasenreglern die Funktion von Slave-Reglern zukommt. Ein Beispiel eines Mehrphasen-Symmetrierungsreglers für ein Mehrphasensystem mit 3 Phasen-Modulen ist in 3 dargestellt.
  • Der Mehrphasen-Symmetrierungsregler ist auch hier als Reglerstruktur mit parallel angeordneten Phasenreglern A, B und C aufgebaut (3 Phasenregler, da drei Phasen-Module). Der Phasenregler A ist als Summenregler SuR ausgebildet, und regelt in Abhängigkeit vom Gesamtsollstrom Soll_I und dem tatsächlichen Gesamtstrom Ist_I das Summenverhalten der einzelnen Phasen-Modulströme, indem er die Stellgröße Da erzeugt, welche auch für die Slave-Phasen B und C in den Summierstellen DbSum und DcSum für die Generierung der Stellgrößen Db und Dc verwendet wird. Beim Summenregler SuR handelt es sich um den Master-Regler. Bei den beiden Phasenreglern B und C handelt es sich um sog. Slave-Regler. Der zweite Phasenregler B ist als Symmetrierungsregler SyRb ausgeführt. Er regelt die Abweichungen des ermittelten Phasen-Modulstroms Ist_b zum ermittelten Phasen-Modulstrom Ist_a der Master-Phase aus. Hier wird die vom Summenregler SuR erzeugte Stellgröße Da in einer Summierstelle DbSum mit der Stellgröße Db' vom Phasen-Symmetrierungsregler SyRb addiert, wodurch sich Db = Da + Db' ergibt. Analog zum zweiten Phasenregler B ist der dritte Phasenregler C auch als Symmetrierungsregler SyRc ausgeführt, welcher die Abweichungen des ermittelten Phasen-Modulstroms Ist_c zum ermittelten Phasen-Modulstrom Ist_a der Master-Phase regelt. Die vom Summenregler SuR erzeugte Stellgröße Da wird in der Summierstelle DcSum mit der Stellgröße Dc' des Phasen-Symmetrierungsregler SyRc addiert, wodurch sich Dc = Da + Dc' ergibt.
  • Analog zu den beschriebenen 2- und 3-Phasensystemen lässt sich der beschriebene Mehrphasen-Symmetrierungsregler auf beliebig viele Phasen-Module erweitern. Das Regelungskonzept zur Phasensymmetrierung ist unabhängig von der jeweiligen Betriebsstrategie des Mehrphasenwandlers. Ein Beispiel einer Einbindung in ein Gesamtsystem ist in der 4 schematisch dargestellt.
  • Ein dem Mehrphasen-Symmetrierungsregler MSR überlagerter Spannungsregler UR kann bspw. die Eingangs-/Ausgangspannung durch Vorgabe des Gesamtsollstroms Soll_I regeln. Der Spannungsregler UR kann verschiedene Eingangssignale s1, s2, s3 und s4, wie z. B. Spannungen, Speicherzustände, Temperaturen und/oder Ströme auswerten und für die Regelung verwenden. Weitere Regler, wie z. B. Leistungsregler können ebenfalls beim Spannungsregler UR in das Gesamtsystem eingebunden werden, da der überlagerte Regelkreis lediglich auf den Gesamtsollstrom Soll_I des Summenreglers zugreift und keine Information für die einzelnen Phasen-Module ausgibt. Nachgeschaltet zu dem Mehrphasen-Symmetrierungsregler MSR können Begrenzer Ba und Bb zur Begrenzung der Ausgangsgrößen Da und Db angeordnet sein, um unzulässige Tastverhältnisbereiche unabhängig von den Stellgrößenvorgaben des Mehrphasen-Symmetrierungsreglers MSR auszuschließen. Zusätzlich zu den gezeigten Reglern UR und MSR können verschiede Schutzfunktionen, wie z. B. Überstromabschaltung, Überspannungsabschaltung und/oder ein Verpolschutz mit hoher Priorität betrieben werden, welche beispielsweise direkt in den Modulen PWM A und PWM B realisiert sein können.
  • Da die Abweichungen der einzelnen Phasenströme bei einer Ansteuerung mit gleichem Tastverhältnis durch parasitäre Effekte entstehen, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein erweiterter Mehrphasen-Symmetrierungsregler vorgeschlagen, welcher schematisch in 5 dargestellt ist. Grundsätzlich ist der hier dargestellte Mehrphasen-Symmetrierungsregler nahezu identisch zu dem in 2 dargestellten Mehrphasen-Symmetrierungsregler aufgebaut. Der einzige Unterschied besteht darin, dass in der 5 nach dem Phasen-Symmetrierungsregler SyR ein Begrenzer BSyR angeordnet, welcher das vom Symmetrierungsregler SyR erzeugte Ausgangssignal begrenzt. Die Grenzen der Begrenzung BSyR werden derart gewählt, dass das Ausgangssignal des Phasen-Symmetrierungsreglers SyR im regulären Fall (d. h. bei gewöhnlichen Bau teiltoleranzen und Unsymmetrien) nicht in Sättigung geht. Durch diese Maßnahme kann einerseits die Systemverfügbarkeit erhöht werden und andererseits können Überschwinger beispielsweise durch WindUp-Effekte von I-Reglern unterbunden oder eingedämmt werden.
  • Reduziert sich beispielsweise im zweiten Phasen-Modul (Slave-Phase) der Wirkungsgrad (z. B. augrund einer schlechten Lötstelle) oder fällt der Sensor zur Messung des Phasen-Modulstroms aus (Messwert: 0A), dann geht der Begrenzer BSyR in Sättigung. Durch die Sättigungsrichtung (pos. oder neg.) kann der Fehler gedeutet und/oder lokalisiert werden. Ein Ausfall der Master-Phase, also des ersten Phasen-Moduls führt hier zu einer negativen Sättigung des Stellwerts für die Slave-Phase(n), hier also im zweiten Phasen-Modul, da der Master-Regler SuR trotz des Leistungsabfalls weiterhin den Summenstrom zu halten versucht, aber der Slave-Regler SyR auf den reduzierten Strom in der Master-Phase regelt. Ein Ausfall einer Slave-Phase (zweites Phasen-Modul) führt zur positiven Sättigung in diesem Phasen-Modul, weil der Slave-Regler SyR hier auf den Phasen-Modulstrom der Master-Phase regelt. Wird bei einem derart erkannten Fehler der Istwert des fehlerhaften Phasen-Moduls durch den Sollwert ersetzt, d. h. der Regelkreis geöffnet, dann wird ein Notlaufbetrieb ermöglicht. Der Betrieb dieses Phasen-Moduls entspricht dann einer ungeregelten Phasensymmetrierung. Das Phasen-Modul muss in diesem Notlauffall somit nicht immer komplett abgeschaltet werden, was zu einer erhöhten Systemverfügbarkeit führt. Dieses Prinzip zur Fehlerdetektion mit der Notlaufmaßnahme des „Regelkreis-Öffnens" kann auf beliebig viele Phasen-Module in dem Mehrphasensystem erweitert werden und kann prinzipiell unabhängig von überlagerten Reglern, insbesondere Spannungsregler, ablaufen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19805926 A1 [0010]

Claims (11)

  1. Mehrphasen-Symmetrierungsregler zur Regelung der Phasen-Modulströme eines Mehrphasensystems mit wenigstens zwei parallel geschalteten Phasen-Modulen, die vorteilhafterweise mit einem vorgegebenen Phasenversatz angesteuert werden, wobei ein Phasen-Modul als Master-Phase und die übrigen Phasen-Module als Slave-Phasen definiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrphasen-Symmetrierungsregler (MSR) als Regelstruktur mit parallel angeordneten Phasenreglern (SuR, SyR, SyRb, SyRc) aufgebaut ist, wobei die Anzahl der Phasenregler (SuR, SyR, SyRb, SyRc) der Anzahl aller Phasen-Module entspricht, wobei ein erster Phasenregler als Summenregler (SuR) ausgebildet ist, der das Summenverhalten aller Phasen-Module regelt, und wobei die übrigen Phasenregler als Phasen-Symmetrierungsregler (SyR, SyRb, SyRc) ausgebildet sind, welche die Abweichungen des Phasen-Modulstroms (ILb, Ist_b, Ist_c) einer jeweiligen Slave-Phase zum Phasen-Modulstrom der Master-Phase (ILa, Ist_a) ausregeln.
  2. Mehrphasen-Symmetrierungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrphasensystem ein Spannungswandlersystem, insbesondere ein Gleichspannungswandlersystem oder Wechselspannungswandlersystem ist.
  3. Mehrphasen-Symmetrierungsregler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Summenreg ler (SuR) und der oder die Phasen-Symmetrierungsregler (SyR, SyRb, SyRc) als unterschiedliche oder gleiche Reglertypen ausgeführt sind, vorzugsweise mit unterschiedlicher Parametrierung.
  4. Mehrphasen-Symmetrierungsregler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Summenregler (SuR) insbesondere als Stromregler, Spannungsregler oder Leistungsregler ausgeführt ist, und die übrigen Phasen-Symmetrierungsregler (SyR, SyRb, SyRc) die Abweichungen des Phasen-Modulstroms (ILb, Ist_b, Ist_c) der jeweiligen Slave-Phase zum Phasen-Modulstrom der Master-Phase (ILa, Ist_a) regeln.
  5. Mehrphasen-Symmetrierungsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglertypen als PID-Regler, PI-Regler, I-Regler, Dead-beat Regler, Fuzzy Logic Regler oder als modellbasierte Regelungen, insbesondere als IMC ausgestaltet sind und vorteilhafterweise mit Vorwärts- und/oder Rückwärtskompensationen und/oder Vorsteuerungen erweitert sind.
  6. Mehrphasen-Symmetrierungsregler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Summenregler (SuR) und alle Phasen-Symmetrierungsregler (SyR, SyRb, SyRc) als digitale Regler ausgestaltet sind und deren Durchführungszeiten und Durchführungs-Prioritäten einstellbar und vorzugsweise unterschiedlich parametriert sind.
  7. Mehrphasen-Symmetrierungsregler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgröße zumindest eines Phasen-Symmetrierungsreglers (SyR, SyRb, SyRc) auf einen vorgegebenen Stellgrößenbereich begrenzt (BSyR) ist.
  8. Mehrphasen-Symmetrierungsregler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Fehlererkennungseinheit vorgesehen ist, die aus dem Wert der Ausgangsgröße eines Phasen-Symmetrierungsreglers (B') einen Fehler erkennen und deuten kann.
  9. Mehrphasen-Symmetrierungsregler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungseinheit einen Fehler ermittelt, wenn die Ausgangsgröße des Phasen-Symmetrierungsreglers (B') die Grenzen eines Begrenzers (BSyR) erreicht.
  10. Mehrphasen-Symmetrierungsregler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungseinheit bei einem ermittelten Fehler den Regelkreis öffnet.
  11. Mehrphasen-Symmetrierungsregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem ermittelten Fehler in der Slave-Phase der ermittelte Ist-Phasen-Modulstrom (Ist_b, Ist_c) durch den vorgegebenen Soll-Phasen-Modulstrom (Ist_a) ersetzt wird und/oder bei ermitteltem Fehler der Master-Phase der ermittelte Gesamtstrom (Ist_I) durch den vorgegebenen Gesamtsollstrom (Soll_I) ersetzt wird.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010008274A1 (de) * 2010-02-17 2011-08-18 Continental Automotive GmbH, 30165 Verfahren zur Phasendiagnose eines mehrphasigen Wandlers
CN104253526A (zh) * 2013-06-26 2014-12-31 英飞凌科技奥地利有限公司 具有自测试的多相调节器
DE102015222579A1 (de) * 2015-08-25 2017-03-02 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Mehrfachphasen-Schaltwandler mit Phasen-Reduzierung
US9606559B2 (en) 2015-08-25 2017-03-28 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Multi-phase switching converter with phase shedding
CN108365787A (zh) * 2018-03-23 2018-08-03 东南大学 一种基于内模控制的永磁同步电机调速系统及其设计方法
CN110212515A (zh) * 2019-04-30 2019-09-06 华北电力大学(保定) 直流电网dab型换流器的自适应虚拟直流电机控制方法
DE102022110488A1 (de) 2022-04-29 2023-11-02 Dspace Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19805926A1 (de) 1998-02-13 1999-08-19 Bosch Gmbh Robert Vorrichtung und Verfahren zum gesteuerten Parallelbetrieb von Gleichspannungswandlern

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19805926A1 (de) 1998-02-13 1999-08-19 Bosch Gmbh Robert Vorrichtung und Verfahren zum gesteuerten Parallelbetrieb von Gleichspannungswandlern

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102763314B (zh) * 2010-02-17 2016-03-09 大陆汽车有限公司 用于多相变换器的相诊断的方法
WO2011101315A3 (de) * 2010-02-17 2011-10-27 Continental Automotive Gmbh Verfahren zur phasendiagnose eines mehrphasigen wandlers
CN102763314A (zh) * 2010-02-17 2012-10-31 欧陆汽车有限责任公司 用于多相变换器的相诊断的方法
DE102010008274A1 (de) * 2010-02-17 2011-08-18 Continental Automotive GmbH, 30165 Verfahren zur Phasendiagnose eines mehrphasigen Wandlers
US9088213B2 (en) 2010-02-17 2015-07-21 Continental Automotive Gmbh Method for the phase diagnosis of a multiphase converter
US9621045B2 (en) 2013-06-26 2017-04-11 Infineon Technologies Austria Ag Multiphase regulator with self-test
CN104253526A (zh) * 2013-06-26 2014-12-31 英飞凌科技奥地利有限公司 具有自测试的多相调节器
CN104253526B (zh) * 2013-06-26 2017-10-17 英飞凌科技奥地利有限公司 具有自测试的多相调节器
US10396663B2 (en) 2013-06-26 2019-08-27 Infineon Technologies Austria Ag Multiphase regulator with current pattern matching
US10425007B2 (en) 2013-06-26 2019-09-24 Infineon Technologies Austria Ag Multiphase regulator with phase current testing
US11196342B2 (en) 2013-06-26 2021-12-07 Infineon Technologies Austria Ag Multiphase regulator with phase current testing using ramp current patterns
DE102015222579A1 (de) * 2015-08-25 2017-03-02 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Mehrfachphasen-Schaltwandler mit Phasen-Reduzierung
US9606559B2 (en) 2015-08-25 2017-03-28 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Multi-phase switching converter with phase shedding
CN108365787A (zh) * 2018-03-23 2018-08-03 东南大学 一种基于内模控制的永磁同步电机调速系统及其设计方法
CN110212515A (zh) * 2019-04-30 2019-09-06 华北电力大学(保定) 直流电网dab型换流器的自适应虚拟直流电机控制方法
CN110212515B (zh) * 2019-04-30 2023-09-26 华北电力大学(保定) 直流电网dab型换流器的自适应虚拟直流电机控制方法
DE102022110488A1 (de) 2022-04-29 2023-11-02 Dspace Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe

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