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Die vorliegende Erfindung betrifft einen leistungselektronischen Wandler mit wenigstens einer vorzugsweise integrierten Meßanordnung zur Messung einer Meßgröße des leistungselektronischen Wandlers. Ferner sieht der leistungselektronische Wandler einen Pulsweitenmodulator zur Ansteuerung einer Leistungselektronik vor. Die Meßanordnung besteht aus wenigstens einem Delta-Sigma-Modulator mit wenigstens einem nachgeschalteten digitalen Filter.
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Bisher werden die zu messenden Phasenströme innerhalb eines leistungselektronischen Wandlers synchron mit der Frequenz des Pulsweitenmodulators, der zur Ansteuerung einer nachgeschalteten Leistungselektronik dient, pulsmittig abgetastet und gewandelt. Die durch die Schaltfrequenz der Pulsweitenmodulation hervorgerufenen Rippel, welche die Meßsignale überlagern, werden dadurch meßtechnisch reduziert bzw. ausgeblendet.
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Dieses Verfahren besitzt jedoch den Nachteil, dass pro zeitgleich zu erfassendem Phasenstrom ein eigener Analog-Digital-Umsetzer bzw. ein eigenes Sample-and-Hold-Glieder zur Verfügung stehen muss. Da idealer Weise zeitgleich der korrespondierende Stromwert festgehalten und anschließend gewandelt werden sollte, wird ein derartiges Sample-and-Hold-Glied pro zu messendem Phasenstrom des leistungselektronischen Wandlers vorausgesetzt. Nach gegenwärtigem Stand der Technik sind solche parallelkanaligen Analog-Digital-Umsetzer in programmierbaren Bausteinen, wie z. B. Mikrokontrollern, nicht verfügbar bzw. verbreitet und es müssen unter Umständen zusätzliche, externe Wandler hinzugefügt werden.
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Bei dem oben genannten Verfahren werden die durch die Schaltvorgänge der Leistungsendstufe auf andere analoge Meßgrößen, wie z. B. die Temperatur an bestimmten Stellen des leistungselektronischen Wandlers, die mittels Temperatursensoren in eine analoge Spannung umgewandelt wird, eingekoppelten Störungen gegenwärtig durch klassische Filterung reduziert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die überlagernden Störungen in elektrisch gewandelten Meßgrößen des leistungselektronischen Wandlers gezielt zu dämpfen. Hierzu soll speziell die Schaltfrequenz des Leistungsteils eines leistungselektronischen Wandlers gedämpft und deren Oberwellen prinzipbedingt unterdrückt werden.
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Die vorliegende Aufgabe wird durch einen leistungselektronischen Wandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demnach sieht ein leistungselektronischer Wandler wenigstens eine vorzugsweise integrierte Meßanordnung zur Messung einer Meßgröße des leistungselektronischen Wandlers vor, wobei die Meßanordnung aus wenigstens einem Delta-Sigma-Modulator besteht, an dessen Eingang die zu messende Meßgröße anliegt und mit wenigstens einem dem Delta-Sigma-Modulator nachgeschalteten digitalen Filter, an dessen Ausgang die digitalisierte Meßgröße des leistungselektronischen Wandlers ausgebbar ist. Die präzise Erfassung und Auswertung einzelner Meßgrößen kann für den erfolgreichen Betrieb des leistungselektronischen Wandlers erforderlich sein. Eine galvanische getrennte Messung vermeidet Einflüsse der Meßanordnung auf die einzelnen Meßgrößen, was insbesondere bei Meßgrößen mit geringen Werten eine entscheidende Rolle spielt. Die Abtastung der Meßgröße durch den Delta-Sigma-Modulator erfolgt bevorzugt zeitkontinuierlich.
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Ferner sieht der leistungselektronische Wandler einen Pulsweitenmodulator vor, der zur Ansteuerung einer angeschlossenen Leistungselektronik dient. Mit Hilfe der Pulsweitenmodulation lassen sich die ausgehenden Ströme bzw. Spannungen des leistungselektronischen Wandlers zur Versorgung einer Leistungselektronik entsprechend variabel durch Manipulation der Pulsweite richten. Ein am Eingang des Pulsweitenmodulator anliegendes analoges Signal kann am Ausgang des Modulators zwei Zustände annehmen, die mit der festen Periode also der Schaltfrequenz des Pulsweitenmodulators wechselnd geschaltet werden, um die erforderliche Ausgangsspannung am Ausgang des Pulsweitenmodulators zu modulieren. Die Schaltfrequenz zwischen den beiden Zuständen am Ausgang des Pulsweitenmodulators führt jedoch zu Störfrequenzen innerhalb der durch die Meßanordnung zu erfassenden Meßgrößen des leistungselektronischen Wandlers. Erfindungsgemäß werden nunmehr zur Unterdrückung der die Meßgröße überlagernden Störungen der Delta-Sigma-Modulator mit dem nachgeschaltenem digitalen Filter sowie der Pulsweitenmodulator derart miteinander gekoppelt, so dass die Taktung der einzelnen Komponenten miteinander synchronisiert ist. Durch die Synchronisation der Taktung der einzelnen Komponenten kann erreicht werden, dass durch die Filterung der Meßgröße gezielt die die Meßgröße überlagernden Störfrequenzen durch die Filterung unterdrückt werden. Besonders bevorzugt wird die Taktung derart dimensioniert, so dass die Schaltfrequenz des Pulsweitenmodulators gezielt in Bereiche des digitalen Filters mit besonders hoher Dämpfung im Frequenzgang des Filters fällt. Folglich liegt am Ausgang des digitalen Filters eine digitalisierte Meßgröße an, deren Störungen aufgrund der Schaltfrequenz des Pulsweitenmodulators zumindest teilweise wesentlich durch die Filterung gedämpft sind.
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Vorteilhafterweise ist das digitale Filter ein digitales Filter mit SINC-Struktur, insbesondere ein digitales Filter mit SINC-Struktur dritter Ordnung. Ein derartiges Filter bietet besonders günstige bzw. ideale Tiefpassfiltereigenschaften, mit einer nahezu senkrecht verlaufenden Flanke der Grenzfrequenz des Filters in der Übertragungsfunktion. Bevorzugt wird zur Wandlung der Meßgröße ein Delta-Sigma-Modulator höherer Ordnung, insbesondere zweiter Ordnung, verwendet, wodurch Quantisierungsfehler und demzufolge das Quantisierungsrauschen des Bitstroms weitestgehend minimiert werden können. Besonders bevorzugt arbeitet ein digitales Filter mit SINC-Struktur dritter Ordnung mit einem Delta-Sigma-Modulator zweiter Ordnung zusammen, wodurch sich besonders günstige Eigenschaften für Messung einer Meßgröße ergeben.
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Denkbar ist, dass das digitale Filter eine definierte Anzahl n an Polstellen mit maximaler Dämpfung im Frequenzgang des Filters aufweist. Wird die Taktung des Filters derart dimensioniert, so dass die einzelnen Polstellen mit maximaler Dämpfung auf die Frequenzbereiche der Störsignale, insbesondere der Schaltfrequenz des Pulsweitenmodulators, fallen, so lassen sich die die Meßgröße überlagernden Störfrequenzen besonders gezielt und effizient durch die Filterung unterdrücken.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des leistungselektronischen Wandlers ist ein zentraler Taktgenerator vorgesehen. Dieser Taktgenerator stellt die Taktung bzw. die Arbeitsfrequenz des Delta-Sigma-Modulators, des nachgeschalteten Filters und des Pulsweitenmodulators dar. Hierdurch ist abgesichert, dass die drei Komponenten synchron getaktet werden, wodurch sich die Möglichkeit bietet, gezielt die Störfrequenzen, hervorgerufen durch die Schaltfrequenz des Pulsweitenmodulators, durch die Filterung des digitalen Filters zu dämpfen.
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Möglich ist, dass der leistungselektronische Wandler eine zentrale Komponente aufweist, die als Eingang die digitalisierten Meßdaten am Ausgang des digitalen Filters vorsieht, den Pulsweitenmodulator intern integriert hat und deren Ausgänge mit der durch den leistungselektronischen Wandler anzusteuernden Leistungselektronik verbunden ist, wobei ein Ausgangssignal den Ausgang des Pulsweitenmodulators zur Verfügung stellt. In der Regel dient die Erfassung der einzelnen Meßgrößen des leistungselektronischen Wandlers zur Kontrolle der korrekten Funktion des leistungselektronischen Wandlers. In diesem Fall wird der Betrieb der Pulsweitenmodulation bevorzugt an eine Auswertung der erfaßten Meßgrößen gekoppelt, wodurch unbeabsichtigte Schwankungen in den Meßgrößen durch spezielle Maßnahmen im Pulsweitenmodulator kompensiert werden können.
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Denkbar ist, dass die zentrale Komponente ein Mikrocontroller bzw. Microprozessor, ein programmierbarer FPGA oder ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder dergleichen ist.
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Denkbar ist auch, dass der zentrale Taktgenerator zur Taktung des Delta-Sigma-Modulators, des digitalen Filters und des Pulsweitenmodulators direkt intern in die zentrale Komponente integriert ist.
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Bevorzugt sind der Delta-Sigma-Modulator und bzw. oder das nachgeschaltete digitale Filter mit Hilfe eines geeigneten Mikroprozessors bzw. Mikrocontroller realisiert. Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von derartigen Controllern bekannt, deren einzelne Komponenten, wie der Delta-Sigma-Modulator und der digitale Filter, per Softwareschnittstelle programmierbar sind. Der Takteingang eines derartigen Bausteins ist demnach mit der Taktung des Pulsweitenmodulators synchronisiert, das heißt an den zentralen Taktgenerator gekoppelt.
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Vorteilhafterweise ist die Meßanordnung des leistungselektronischen Wandlers derart ausgeführt, dass mehrere Meßgrößen parallel durch die Anordnung meßbar sind. Beispielsweise erfolgt die parallele Messung verschiedener Meßgrößen per Multiplexverfahren, wobei mehrere Meßgrößen am Eingang der Meßanordnung zusammengefaßt bzw. gebündelt und simultan am Ausgang der Meßanordnung ausgegeben werden. Alternativ ist vorstellbar, dass die Meßanordnung zwei bzw. mehrere Delta-Sigma-Modulatoren mit mehreren nachgeschalteten digitalen Filtern aufweist, deren Eingänge die diversen Meßgrößen abgreifen, wodurch eine reelle Multitaskingvorrichtung für mehrere Meßgrößen gegeben ist.
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Vorteilhafterweise sind durch die Meßanordnung der oder die Phasenströme, Spannungen oder Temperaturen des leistungselektronischen Wandlers oder dergleichen meßbar.
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Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zur Messung einer Meßgröße eines leistungselektronischen Wandlers, wobei die zu erfassende Meßgröße mittels Delta-Sigma-Prinzip in einen digitalen Bitstrom konvertiert wird und mittels Filterung der digitale Meßwert bestimmt wird, wobei die Taktung der Delta-Sigma-Wandlung und der Filterung an die Schaltfrequenz des leistungselektronischen Wandlers angepaßt wird. Durch die Kopplung der Taktungen der einzelnen Komponenten wird durch geeignete Dimensionierung des Filters erreicht, dass speziell die Schaltfrequenzen des leistungselektronischen Wandlers bzw. deren Oberwellen, die den Meßgrößen überlagert sind, unterdrückt werden. Derartige Störfrequenzen aufgrund der Schaltfrequenz des leistungselektronischen Wandlers würden die Meßgrößen erheblich verfälschen, so dass ein sicherer bzw. zuverlässiger Betrieb des leistungselektronischen Wandlers ausgeschlossen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine einfache Möglichkeit, diese Störfrequenzen ohne die Verwendung zusätzlicher Komponenten, wie z. B. ein speziell dafür ausgelegtes Filter, in den Meßgrößen zu unterdrücken und die Qualität des abgegriffenen Meßsignals erheblich zu steigern. Ein besonders großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt also darin, dass zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine weiteren zusätzlichen Komponenten erforderlich sind und die Zuverlässigkeit des leistungselektronischen Wandlers auf besonders einfache Weise optimierbar ist.
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Denkbar ist, dass die Schaltfrequenz des leistungselektronischen Wandlers der Betriebsfrequenz eines Pulsweitenmodulators entspricht. Leistungselektronische Wandler, die zum Betrieb einen Pulsweitenmodulator verwenden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die verwendete Frequenz zum Betrieb des Pulsweitenmodulators ist in der Regel während dem Betrieb konstant. Die Taktung, das heißt die Frequenz des Pulsweitenmodulators, wird derart mit der Taktung der Delta-Sigma-Wandlung und der Filterung gekoppelt, so dass speziell die Frequenzen des Pulsweitenmodulators, die sich dem zu erfassenden Meßsignal störend überlagern, durch die Filterung wesentlich gedämpft bzw. herausgefiltert werden.
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Es kann zweckdienlich sein, dass die Taktspeisung der Delta-Sigma-Wandlung, des Filters und der Pulsweitenmodulation mittels zentralen Taktgenerators erfolgt. Alle genannten Komponenten verwenden folglich die gleiche Taktfrequenz.
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Eine besonders bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Taktung der Delta-Sigma-Wandlung und der Filterung derart in Abhängigkeit der Schaltfrequenz des leistungselektronischen Wandlers erfolgt, so dass die Schaltfrequenz des leistungselektronischen Wandlers auf eine der Anzahl n an Polstellen der Filterung entfällt. Diese Polstellen sind durch ein besonders günstiges Dämpfungsverhalten im Frequenzgang der Filterung charakterisiert, so dass speziell Frequenzen in Umgebung der genannten Polstellungen besonders wirksam durch die Filterung gedämpft werden. Eine Filterung höherer Ordnung weist demnach mehrere Polstellen auf, so dass mehrere Störfrequenzen speziell durch die Filterung gedämpft werden können. Die Taktkopplung der einzelnen Komponenten sowie die Dimensionierung des Filters sieht vor, dass besonders bevorzugt die Schaltfrequenz des leistungselektronischen Wandlers auf die erste Polstelle der Filterung entfällt, die erfahrungsgemäß die größte Dämpfung aufweist und weiter besonders bevorzugt die Oberwellen der Schaltfrequenz auf alle weiteren Polstellen der Filterung verteilt sind.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Messung mehrerer Meßgrößen des leistungselektronischen Wandlers simultan. Hierbei werden die Meßgrößen bevorzugt auf mehrere Meßeingänge der Meßanordnung verteilt und bzw. oder per Multiplexing durch einen einzelnen Meßeingang aufgenommen. Denkbar ist auch, dass mehrere Meßgrößen minimal zeitverzögert nacheinander durch die Meßanordnung erfaßt werden.
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Wesentliche Meßgrößen des leistungselektronischen Wandlers stellen bevorzugt eine oder mehrere Phasenströme, Spannungen, Temperatursignale oder dergleichen dar.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Durchführung eines Verfahrens nach den oben genannten Merkmalen mit einer Vorrichtung nach den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 erfolgt.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1: einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen leistungselektronischen Wandlers mit integrierter Meßanordnung und
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2: den exemplarischen Frequenzgang eines SINC-Filters dritter Ordnung.
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In 1 ist der schematische Aufbau eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Wandlers 1 dargestellt. Der leistungselektronische Wandler 1 sieht zur Messung einer Meßgröße 100 des leistungselektronischen Wandlers 1 eine Meßanordnung vor, bestehend aus einem nach dem Stand der Technik bekannten Delta-Sigma-Modulator 10, der an seinem Eingang die analoge Meßgröße 100 des leistungselektronischen Wandlers abgreift. Der verwendete Delta-Sigma-Modulator 10 generiert an seinem Ausgang den Bitstrom 200. Hierzu kann der Delta-Sigma-Modulator 10 als Modulator erster Ordnung bzw. höherer Ordnung ausgeführt sein.
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Der Bitstrom 200 wird einem digitalen Filter 20 zugeführt, das Tiefpasscharakteristik aufweist und eine entsprechende SINC-Struktur dritter Ordnung aufweist. Aufgabe des digitalen Filters 20 ist es, dass entstehende hochfrequente Quantisierungsrauschen des Delta-Sigma-Modulators 10 zu unterdrücken, um ein digitales Meßsignal 300 am Ausgang des Filters 20 auszugeben, das einer digitalisierten analogen Meßgröße 100 entspricht. Die Abtastung des Delta-Sigma-Modulators 10 erfolgt in der Regel mit einer Abtastrate, die die durch das Nyquist-Kriterium geforderten minimale Abtastrate bei weitem übersteigt und führt somit zu einer Überabtastung des analogen Meßsignals. Im Anschluß reduziert das digitale Filter 20 die Datenrate des ausgegebenen Bitstroms 200 des Modulators 10 und erhöht dabei die Auflösung, wobei das Verhältnis von Eingangsdatenrate zu Ausgangsdatenrate des digitalen Filters 20 generell als „Oversamplingrate” (OSR) bezeichnet wird. Die gefilterten Daten 300 am Ausgang des digitalen Filters 20 werden einer zentralen Komponente 30 zugeführt, die beispielsweise durch einen geeigneten Mikrocontroller realisiert sein kann.
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Die Kombination aus Delta-Sigma-Modulator 10 und digitalen Filter 20 arbeitet besonders gut falls ein digitales Filter 20 mit SINC-Struktur 3. Ordnung zusammen mit einem Delta-Sigma-Modulator 10 zweiter Ordnung verwendet wird.
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Die zentrale Komponente 30 besitzt einen zentralen Taktgenerator 40, sowie einen Pulsweitenmodulator, der nach einer vorzugsweise variabel einstellbaren Schaltfrequenz arbeitet. Während des Betriebs des Pulsweitenmodulators ist die Schaltfrequenz des Modulators jedoch in der Regel konstant. Die Ausgänge 400 der zentralen Komponente 30 weisen die Signalausgänge des Pulsweitenmodulators auf, die einer entsprechenden anzusteuernden Leistungselektronik zugeführt werden.
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Neuer und damit zentraler Punkt des erfindungsgemäßen leistungselektronischen Wandlers 1 ist die gezielte Ausnutzung der Polstellen des Digitalfilters 20 durch Synchronisation des Delta-Sigma-Modulators 10 und des nachgeschalteten digitalen Filters 20 mit der Schaltfrequenz des Pulsweitenmodulators der zentralen Komponente 30. Erreicht wird dies durch die Verwendung einer gemeinsamen Taktquelle 40, aus welcher der Pulsweitenmodulator, der Delta-Sigma-Modulator 10 und der digitale Filter 20 gespeist werden und diese somit einen identischen Takt fMCLK als Basis verwenden.
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Der digitale Filter 20 besitzt Polstellen, die Frequenzstellen mit maximaler Dämpfung im Frequenzgang des Filters bilden.
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In 2 ist der exemplarische Frequenzgang eines SINC-Filters dritter Ordnung dargestellt. Auffällig sind die Polstellen, an welchen die Dämpfung sehr groß wird. Mathematisch lässt sich die Lage der Polstellen im Frequenzgang des Filters 20 durch die Formel
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Beschreiben, wobei n eine beliebige natürliche Zahl annehmen kann. fMCLK bezeichnet hierbei den Delta-Sigma-Modulatortakt bzw. dessen Frequenz, die auch dem digitalen Filter 20 zugeführt wird.
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Zur Ausnutzung der Polstellen muss somit für die Auslegung der zentralen Taktquelle 40 gelten:
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Die Frequenz fPWM steht hierbei für die Schaltfrequenz des Pulsweitenmodulators der zentralen Komponente 30. Ziel der Meßanordnung ist es, den digitalen Filter 20 derart zu dimensionieren, dass die Schaltfrequenz fPWM auf eine der Polstellen im Frequenzgang des digitalen Filters 20 entfällt. Betrachtungsrelevant ist hierbei die Polstelle für n = 1, da hier der Filter mit einer maximalen Taktfrequenz fMCLK arbeitet und somit die Latentzeit der Meßanordnung am kürzesten gehalten werden kann.
