DE102008048017B4 - Regelvorrichtung für einen Mehrphasen-Spannungswandler - Google Patents

Regelvorrichtung für einen Mehrphasen-Spannungswandler Download PDF

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Abstract

Regelvorrichtung für einen Mehrphasen-Spannungswandler (C)
- mit einem Phasenstrom-Symmetrierungsregler, der zur Erfassung der Istwert-Stromaufteilung einen Phasenstromsensor aufweist,
- mit einem Verbindungselement zum Abgreifen eines Ein/AusgangsSpannungssignals an einem Leistungspfad des Mehrphasen-Spannungswandlers,
- mit einer Filtereinrichtung (F), die derart eingerichtet und mit dem Verbindungselement gekoppelt ist, dass durch die Filtereinrichtung (F) ein Filterausgangssignal ausgegeben wird, das mit der Welligkeit des Ein/AusgangsSpannungssignals korreliert, und
- mit einer Korrektureinrichtung (K), die derart eingerichtet und mit der Filtereinrichtung (F) und dem Mehrphasen-Spannungswandler (C) verbunden ist, dass durch die Korrektureinrichtung (K) ein Stellsignal an den Mehrphasen-Spannungswandler (C) ausgegeben wird, durch welches eine Änderung, insbesondere Optimierung oder Reduzierung, der Welligkeit des Ein/AusgangsSpannungssignals bewirkt wird, wobei durch das Stellsignal der Phasenstromsensor derart eingestellt wird, dass die Welligkeit des Ein/AusgangsSpannungssignals geändert, insbesondere optimiert oder reduziert, wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Mehrphasen-Spannungswandler, insbesondere zur Symmetrierung des Mehrphasen-Spannungswandlers und/oder zur Optimierung des EMV-Verhaltens des Mehrphasen-Spannungswandlers.
  • Ein Spannungswandler ist eine elektronische Schaltung, die eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umwandelt. Die Spannungswandler können als Gleichspannungswandler (DC/DC), Gleichrichter (AC/DC), Wechselrichter (DC/AC) oder Umrichter (AC/AC) ausgeführt werden.
  • Als Mehrphasen-Spannungswandler oder Mehrphasenwandler werden parallel geschaltete Wandlerpfade bezeichnet, die mit einem Phasenversatz von phi = 360°/n (n entspricht Anzahl der Phasen) angesteuert werden. Durch die Aufteilung des Stromes auf mehrere Pfade/Phasen wird die Strombelastung der Komponenten in den Einzelphasen reduziert. Die Wechselanteile der Pfade überlagern sich an den Wandlerklemmen und führen zu geringeren Strombelastungen der Kondensatoren eines Mehrphasen-Spannungswandlers und dadurch zu einem besseren EMV-Verhalten im Vergleich zu Einphasenwandlern. Im Rahmen der Erfindung umfasst der Begriff „Mehrphasen-Spannungswandler“ auch Stromrichter.
  • Um eine gleichmäßige Belastung der Wandlerphasen und damit der Bauteile zu erreichen, werden Phasenstrom-Symmetrierungsregler eingesetzt. Für eine Phasenstrom-Symmetrierungsregelung sind Phasenstromsensoren zur Erfassung der Istwert-Stromaufteilung notwendig. Hierfür erforderliche Stromsensoren im Leistungspfad des Mehrphasen-Spannungswandlers erzeugen unerwünschte Verluste, die quadratisch mit dem Wandlerstrom ansteigen (z.B. Shunts). Phasenstromsensoren, die eine „verlustlose“ Strommessung ermöglichen (also nicht im Leistungspfad platziert werden und die Phasenströme über eine mit dem Phasenstrom korrelierende Größe sensieren), sind oft aufwändig und/oder liefern ungenaue Messergebnisse (z.B. Hallsensoren, Messung von parasitären Eigenschaften der Bauelemente im Leistungspfad, Beobachter). Besonders der Absolutwert der Strommessung ist häufig durch einen hohen systematischen Fehler beaufschlagt. Relativwerte können meist genau bestimmt werden.
  • Die Ungenauigkeiten bei der Strommessung, insbesondere bei der „verlustlosen“ Strommessung, in den verschiedenen Wandlerphasen führen in der Praxis zu unterschiedlichen Messfehlern der Phasenströme. Dies führt zu einer Spannungswelligkeit, die auch bei niedrigen Frequenzen einen Energieanteil, insbesondere bei der ersten Schaltharmonischen, enthält. Als erste Schaltharmonische wird die durch den Schalttakt des Wandlers verursachte Störung im EMV-Spektrum eines Mehrphasen-Spannungswandlers mit der niedrigsten Frequenz bezeichnet. Diese Störung ist deshalb besonders störend, weil eine Filterung von Störungen mit niedrigen Frequenzen vergleichsweise große Induktivitäten und/oder Kapazitäten erfordert, welche in der Realisierung hohe Kosten verursachen, hohes Gewicht mit sich bringen und einen großen Bauraum erfordern.
  • Analog zu den erläuterten Auswirkungen der ungleichen Phasenströme können zeitliche Toleranzen in der Ansteuerung des Mehrphasenwandlers (Abweichung von ideal phi = 360°/n) auch dazu führen, dass die erste Schaltharmonische nicht durch destruktive Überlagerung kompensiert wird. Vor allem bei analogen Regelsystemen treten durch Alterungseffekte und Bauteiltoleranzen diese zeitlichen Toleranzen in der Ansteuerung auf. Bei besonders großen Toleranzen kann es neben EMV-Problemen auch zu deutlich erhöhten Strombelastungen in den Kapazitäten an den Spannungswandlerklemmen kommen. Als Folge können thermische Probleme und der Ausfall von Bauteilen eintreten.
  • Aus der WO 2005/ 056 342 A1 ist eine Regelvorrichtung für einen Mehrphasen-Spannungswandler (Leistungswandler) bekannt
  • Aus der US 2004 / 0 123 167 A1 ist ein Energieversorgungssystem mit mehreren Spannungsreglern bekannt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Lehre zum Regeln eines Mehrphasen-Spannungswandlers, insbesondere zur Symmetrierung des Mehrphasen-Spannungswandlers, anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
  • Eine bevorzugte Regelvorrichtung für einen Mehrphasen-Spannungswandler umfasst ein Verbindungselement zum Abgreifen eines Ein- oder AusgangsSpannungssignals (Ein/Ausgangs-Spannungssignals) an einem Leistungspfad des Mehrphasen-Spannungswandlers, insbesondere an einer Wandlerklemme des Leistungspfades. Eine Filtereinrichtung ist derart eingerichtet und mit dem Verbindungselement gekoppelt, dass durch die Filtereinrichtung ein Filterausgangssignal ausgegeben wird, das mit der Welligkeit des Ein/Ausgangs-Spannungssignals korreliert oder davon abhängt. Eine Korrektureinrichtung ist derart eingerichtet und mit der Filtereinrichtung und dem Mehrphasen-Spannungswandler verbunden, dass durch die Korrektureinrichtung ein Stellsignal an den Mehrphasen-Spannungswandler ausgegeben wird, durch welches eine Änderung, insbesondere Optimierung oder Minimierung, der Welligkeit des Ein/Ausgangs-Spannungssignals und/oder des Filterausgangssignals bewirkt wird. Vorzugsweise umfasst die Änderung der Welligkeit eine Reduzierung der Welligkeit in einem vorgegebenen, insbesondere kritischen, Frequenzbereich.
  • Es ist vorgesehen, dass durch das Stellsignal mindestens ein Phasenstromsensor des Mehrphasen-Spannungswandlers (insbesondere der Skalierungsfaktor des Phasenstromsensors), derart eingestellt wird, dass die Welligkeit des Ein/Ausgangs-Spannungssignals geändert, insbesondere optimiert oder reduziert, wird.
  • Durch die Erfindung werden durch ein Regelverfahren die Phasenströme oder damit korrelierende Werte derart modifiziert, dass die durch die Messungenauigkeit verursachte Spannungswelligkeit geändert, insbesondere optimiert oder reduziert wird. Die Reduktion der Spannungswelligkeit kann dabei auf einen vorgegebenen kritischen Frequenzbereich beschränkt sein. Insbesondere wird dabei ein Maß für die Spannungswelligkeit verwendet, um die Strommessung in den einzelnen Phasen zu beeinflussen.
  • Vorzugsweise umfasst die Filtereinrichtung ein Bandpassfilter, dessen Durchlass-Frequenzbereich zum Durchlass einer ersten Schaltharmonischen der Taktfrequenz des Mehrphasen-Spannungswandlers und/oder einer ersten Harmonischen einer elektrischen Maschine (drehzahlabhängig) eingerichtet ist. Andere Schaltharmonische der Taktfrequenz des Mehrphasen-Spannungswandlers oder andere Harmonische der elektrischen Maschine werden nicht oder nicht so stark „durchgelassen“ wie die erste Schaltharmonische oder die erste Harmonische der elektrischen Maschine. Das Filterausgangssignal ist dann, insbesondere besonders stark, abhängig von der Welligkeit des Ein/Ausgangs-Spannungssignals im Durchlass-Frequenzbereich, hier also von der Größe der ersten Schaltharmonischen der Taktfrequenz des Mehrphasen-Spannungswandlers oder der ersten Harmonischen der elektrischen Maschine. Das Stellsignal der Korrektureinrichtung kann dadurch gezielt eine Optimierung oder Reduzierung der Welligkeit in diesem Frequenzbereich bewirken.
  • Vorzugsweise umfasst die Filtereinrichtung einen LC-Resonanzkreis, ein aktives auf einem Operationsverstärker basierendes Filter oder ein adaptives auf einer Frequenzanpassung basierendes digitales Filter.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass durch das Stellsignal ein Phasenstromaufteilungsregler (Symmetrierungsregler, phase current balancing) des Mehrphasen-Spannungswandlers derart eingestellt wird, dass die Welligkeit des Ein/Ausgangs-Spannungssignals geändert, insbesondere optimiert oder reduziert, wird..
  • Vorzugsweise wird durch das Stellsignal der Phasenversatz des Mehrphasen-Spannungswandlers derart eingestellt, dass die Welligkeit des Ein/Ausgangs-Spannungssignals geändert, insbesondere optimiert oder reduziert, wird.
  • Besonders vorteilhaft kann auch eine Optimierung, insbesondere Reduktion, der Welligkeit des Ein/Ausgangs-Spannungssignals in einem bestimmten Frequenzband oberhalb der ersten Schaltharmonischen sein (z.B. Frequenzbereiche für LW, MW oder UKW-Radio) sein. Dazu wird der Durchlassbereich des Bandpassfilters auf den zu optimierenden Frequenzbereich ausgelegt.
  • Beim Einsatz von Mehrphasen-Spannungswandlern für die Ansteuerung von elektrischen Antrieben oder Generatoren (allgemein elektrische Maschinen) kann die Erfindung dazu eingesetzt werden, die Amplitude der ersten Harmonischen (die erste Harmonische ist bei einer elektrischen Maschine abhängig von der Drehzahl) zu reduzieren. Neben dem optimierten EMV-Verhalten sind hierbei vor allem die Reduzierung von Pendelbewegungen, die geringeren Geräuschbelastungen und der geringere Verscheiß von Vorteil. Da die Drehzahl bei einer elektrischen Maschine variabel ist, ist bei dieser Ausführungsform die Realisierung der Filtereinrichtung basierend auf einem adaptiven digitalen Filter besonders vorteilhaft. Das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens ändert sich dadurch aber nicht.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren näher erläutert:
    • 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Mehrphasen-Spannungswandlers samt Regelvorrichtung;
    • 2 zeigt Störungen im Ein/Ausgangs-Spannungssignal des Mehrphasen-Spannungswandlers im Frequenzbereich.
  • 1 zeigt einen Mehrphasenwandler C und eine Regeleinrichtung für den Mehrphasen-Spannungswandler, insbesondere eine Vorrichtung zur Korrektur von Messfehlern bei der Strommessung des Mehrphasenwandlers. Der Mehrphasenwandler C umfasst für eine erste Phase einen ersten DC/DC-Wandler DCDC1 und für eine zweite Phase einen zweiten DC/DC-Wandler DCDC2.
  • Die Regeleinrichtung umfasst ein Filter F, das aus der Frequenz und Amplitude der Spannungswelligkeit an einem Summenpunkt Sum der Leistungsstufe eines Mehrphasenwandlersystems C eine Größe für eine Korrektur-Einrichtung K generiert, welche beispielsweise systematische Messfehler von Phasenstromsensoren oder Toleranzen in der Ansteuerung im Mehrphasenwandlersystem C kompensiert, so dass die Ausgangsgröße des Filters F minimal wird.
  • Abhängig von der Schaltungstopologie und der Schaltfrequenz fsw des Mehrphasenwandlersystems C entstehen an den Summenpunkten Sum des Mehrphasenwandlers Spannungswelligkeiten.
  • 2 zeigt das Frequenzspektrum der Spannungswelligkeit des Ein/Ausgangs-Spannungssignals an einem Leistungspfad des Mehrphasen-Spannungswandlers C, insbesondere die Abhängigkeit von den Harmonischen der Schaltfrequenz fsw des Mehrphasenwandlersystems C. Links ist unter Punkt A) das Frequenzspektrum bei idealer Stromaufteilung auf die Wandlerphasen und idealer Ansteuerung (Phasenversatz) dargestellt. Der Anteil der Spannungswelligkeit im Frequenzspektrum bei fsw (erste Schaltharmonische) ist gleich Null. Rechts ist unter Punkt B) das Frequenzspektrum bei unsymmetrischer Stromaufteilung bzw. bei nicht idealer Ansteuerung (Phasenversatz) dargestellt. In diesem Fall entsteht bei fsw eine Störung.
  • Als Filter F wird ein Bandpassfilter mit der Filterfrequenz f_BP eingesetzt. f_BP entspricht dabei fsw und/oder 3fsw usw. Die Ausgangsgröße des Filters ist dann abhängig von den Anteilen der Spannungswelligkeiten in den entsprechenden Frequenzbereichen um fsw und/oder 3fsw usw. Die Ausgangsgröße des Filters wird somit minimal, wenn eine ideale Stromaufteilung im Wandler erreicht ist. Das Bandpassfilter kann beispielsweise durch einen Serienresonanzkreis (LC-Schwingkreis), durch aktive Signalfilter mittels Operationsverstärker oder als digitales Filter ausgeführt sein. Vorteilhaft ist dabei, dass kein DC-Anteil gemessen werden muss und somit die Übertragung zu der Korrektureinrichtung K, beispielsweise mittels eines Entkoppelkondensators oder eines Trafos, ermöglicht wird.
  • Durch die Korrektureinrichtung K wird die Ausgangsgröße des Filters F minimiert. Dies wird beispielsweise durch eine entsprechende Änderung oder Einstellung eines Skalierungsfaktors, eines additiven Wertes oder eines Polynoms für einen oder mehrere Phasenstromsensoren durch die Korrektureinrichtung K bewirkt. Analog kann auch eine Änderung oder Einstellung in der Ansteuerung (Phasenversatz) durch die Korrektureinrichtung K bewirkt werden. Beispielsweise wird der Skalierungsfaktor durch die Korrektureinrichtung K mittels eines an sich bekannten Optimierungsverfahrens (z.B. Gradientenverfahren, Simplex-Search, Suchschrittverfahren, Zweipunktregler ...) derart geändert, dass die Ausgangsgröße des Filters F minimal wird. Das bedeutet, dass der spektrale Anteil im Frequenzbereich f_BP an den Summenpunkten minimal und dadurch die Stromaufteilung und/oder die Ansteuerung optimiert wird. Ein systematischer Messfehler durch die Phasenstromsensoren oder Toleranzen in der Ansteuerung (Phasenversatz) wird dadurch kompensiert.
  • Abhängig davon, welcher systematische Fehler von den Phasenstromsensoren oder welche Toleranzen in der Ansteuerung erwartet werden, wird statt des Skalierungsfaktors ein anderer Wert oder eine Kombination aus mehreren Werten durch die Vorrichtung K eingestellt. Vorzugsweise wird bei einem Offsetfehler der additive Wert geändert, bei einem Linearitätsfehler der Skalierungsfaktor geändert und bei nichtlinearen Fehlern die Faktoren eines Polynoms zur Skalierung von Sensorwerten geändert.
  • Durch die Erfindung oder ihre Weiterbildungen wird erreicht:
    • - Die Auswirkungen der Messfehler von Phasenstromsensoren auf die Spannungswelligkeit an den Wandlerklemmen können kompensiert werden. Eine „verlustlose“ Strommessung z.B. mit Hilfe parasitärer Widerstände in den Bauelementen im Leistungspfad ist auch bei hohen Anforderungen an die Phasenstromaufteilung möglich.
    • - Kostenreduktion aufgrund eines vereinfachten Sensorkonzepts.
    • - Geringere Verluste, indem Sensoren nicht im stromführenden Pfad platziert werden müssen, weil ungenauere „verlustlose“ Sensoren eingesetzt werden können.
    • - Kompensation des Messfehlers parallel zur Spannungswandlerregelung. Folglich keine Abhängigkeiten vom Regelungskonzept des Spannungswandlers.
    • - Höhere Qualität der Phasenstromaufteilung ermöglicht besseres EMV-Verhalten und geringeren Bauteilestress.
    • - Optimierungsmöglichkeit von Pendelmomenten bei elektrischen Maschinen und daraus resultierende Geräusch-, Verschleiß- und Verlustreduktion. Redundante Information über Phasenstromverhalten verfügbar zur Ermöglichung von Notlaufstrategien.

Claims (6)

  1. Regelvorrichtung für einen Mehrphasen-Spannungswandler (C) - mit einem Phasenstrom-Symmetrierungsregler, der zur Erfassung der Istwert-Stromaufteilung einen Phasenstromsensor aufweist, - mit einem Verbindungselement zum Abgreifen eines Ein/AusgangsSpannungssignals an einem Leistungspfad des Mehrphasen-Spannungswandlers, - mit einer Filtereinrichtung (F), die derart eingerichtet und mit dem Verbindungselement gekoppelt ist, dass durch die Filtereinrichtung (F) ein Filterausgangssignal ausgegeben wird, das mit der Welligkeit des Ein/AusgangsSpannungssignals korreliert, und - mit einer Korrektureinrichtung (K), die derart eingerichtet und mit der Filtereinrichtung (F) und dem Mehrphasen-Spannungswandler (C) verbunden ist, dass durch die Korrektureinrichtung (K) ein Stellsignal an den Mehrphasen-Spannungswandler (C) ausgegeben wird, durch welches eine Änderung, insbesondere Optimierung oder Reduzierung, der Welligkeit des Ein/AusgangsSpannungssignals bewirkt wird, wobei durch das Stellsignal der Phasenstromsensor derart eingestellt wird, dass die Welligkeit des Ein/AusgangsSpannungssignals geändert, insbesondere optimiert oder reduziert, wird.
  2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Filtereinrichtung (F) ein Bandpassfilter mit einem Durchlass-Frequenzbereich umfasst, wobei der Durchlass-Frequenzbereich zum Durchlass einer ersten Schaltharmonischen der Taktfrequenz des Mehrphasen-Spannungswandlers (C) oder einer ersten Harmonischen einer elektrischen Maschine eingerichtet ist.
  3. Regelvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Filtereinrichtung (F) als LC-Resonanzkreis, als aktiver Filter mittels Operationsverstärker oder als adaptiver digitaler Filter ausgeführt ist.
  4. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch das Stellsignal ein Phasenstromaufteilungsregler des Mehrphasen-Spannungswandlers (C) derart eingestellt wird, dass die Welligkeit des Ein/Ausgangs-Spannungssignals geändert, insbesondere optimiert oder reduziert, wird.
  5. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch das Stellsignal die Ansteuerung des Mehrphasen-Spannungswandlers (C), insbesondere der Phasenversatz des Mehrphasen-Spannungswandlers, derart eingestellt wird, dass die Welligkeit des Ein/Ausgangs-Spannungssignals geändert, insbesondere optimiert oder reduziert, wird.
  6. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch die Regelvorrichtung die Welligkeit des Ein/AusgangsSpannungssignals in einem definierten Frequenzband oberhalb der ersten Schaltharmonischen der Taktfrequenz des Mehrphasen-Spannungswandlers und/oder der ersten Harmonischen einer elektrischen Maschine geändert, insbesondere optimiert oder reduziert, wird.
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