DE102016000207A1 - Method for operating a buck-boost converter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Buck-Boost-Konverters, bestehend aus zumindest 2 steuerbaren Schaltelementen (5, 8) sowie einer Speicherdrossel (7). Das Verfahren steuert die beiden Schaltelemente (5, 8) derart an, dass je nach Verhältnis von Eingangs- (1) zu Ausgangsspannung (10) die Schaltung entweder im Tiefsetz- oder im Hochsetzbetrieb arbeitet. Dabei verwendet das Verfahren erfindungsgemäß nur einen Regelalgorithmus für beide Betriebsarten, wobei ein Übergang zwischen den Betriebsmodi ohne Unterbrechung durch monotone Verringerung bzw. Erhöhung der Pulsbreite eines pulsweitenmodulierten Steuersignals erfolgt, welches wenigstens eines der zumindest 2 Schaltelemente (5, 8) steuert.The invention relates to a method for operating a buck-boost converter, comprising at least 2 controllable switching elements (5, 8) and a storage inductor (7). The method controls the two switching elements (5, 8) in such a way that, depending on the ratio of input (1) to output voltage (10), the circuit operates either in step-down or step-up mode. According to the invention, the method uses only one control algorithm for both operating modes, whereby a transition between the operating modes takes place without interruption by monotonous reduction or increase in the pulse width of a pulse-width-modulated control signal which controls at least one of the at least two switching elements (5, 8).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Buck-Boost-Konverters.The invention relates to a method for operating a buck-boost converter.

Zum Betrieb einer Stromversorgungseinheit am öffentlichen Wechselspannungs-Versorgungsnetz ist eine Leistungsfaktor-Korrekturschaltung notwendig. Dabei ist bei Leistungsanforderungen ab einigen hundert Watt eine Hochsetzsteller-Schaltung notwendig, welche durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) einen der sinusförmigen Eingangsspannung möglichst formähnlichen, sinusförmigen Eingangsstrom erzeugt.To operate a power supply unit on the public AC power supply network, a power factor correction circuit is necessary. In this case, a boost converter circuit is required for power requirements from a few hundred watts, which generates a sinusoidal input current through a pulse width modulation (PWM) one of the sinusoidal input voltage as form-like as possible.

In einigen Fällen, wie beispielsweise Batterie-Ladegeräten, ist dabei eine niedrigere Spannung als der Scheitelwert der Netzspannung vorhanden bzw. zur Versorgung der Verbraucher notwendig.In some cases, such as battery chargers, while a lower voltage than the peak value of the mains voltage is present or necessary to supply the consumer.

Hierfür ist eine dem Hochsetzsteller nachgeschaltete Tiefsetzelektronik notwendig. Dabei wird eine gleichförmige Zwischenkreisspannung erzeugt.. Der nachgeschaltete Tiefsetzsteller benötigt dabei zumindest ein Halbleiter-Bauelement, welches diese hochgesetzte, gleichförmige Zwischenkreisspannung sperren kann. Die Zwischenkreisspannung muss dabei immer höher sein als die maximale Eingangsspannung, im Falle eines öffentlichen Wechselstromnetzes also die Amplitude der Netzspannung, um unkontrollierte Stromspitzen zu vermeiden.For this purpose, a boost converter downstream Tiefsetzelektronik is necessary. In this case, a uniform intermediate circuit voltage is generated. The downstream step-down converter requires at least one semiconductor component which can block this high-set, uniform intermediate circuit voltage. The DC link voltage must always be higher than the maximum input voltage, ie in the case of a public AC network, ie the amplitude of the mains voltage in order to avoid uncontrolled current peaks.

Viele Anwendungen erfordern eine galvanische Isolation zwischen dem öffentlichen Stromnetz und der Verbraucherspannung. Dabei werden zumeist Transformatoren eingesetzt welche zugleich durch ein bestimmtes Windungsverhältnis der beiden Wicklungen für Netz- und Verbraucherpotenzial die Ausgangsspannung auf das entsprechende Niveau setzen und damit eine möglichst effiziente und einfache Regelung ermöglichen.Many applications require galvanic isolation between the public grid and the consumer voltage. In most cases, transformers are used which at the same time set the output voltage to the appropriate level by means of a specific turn ratio of the two windings for network and consumer potential and thus enable the most efficient and simple control possible.

In realen Transformatoren wird, bedingt durch den Produktionsprozess und der Wickelgeometrie, erfahrungsgemäß die Kopplung mit einem Windungsverhältnis von eins den höchsten Wert erreichen. Dadurch sinkt erfahrungsgemäß der Wirkungsgrad der Energiewandlung bei niedrigen Ausgangsspannungen, da der Transformator eine niedrigere Kopplung besitzt und damit mehr Verluste erzeugt. Somit wäre ein Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von eins die effizienteste Ausführung, wobei dann keine Verbraucher versorgt werden können, welche eine wesentlich niedrigere Betriebsspannung benötigen als die Zwischenkreisspannung. Im Falle eines Boost-Konverters bedeutet dies eine minimale Verbraucherspannung, welche theoretisch mindestens den Wert der Netzscheitelspannung, praktisch noch einen etwas höheren Wert, besitzen muss.In real transformers, due to the production process and the winding geometry, experience shows that the coupling with a turns ratio of one reaches the highest value. As a result, experience shows that the efficiency of the energy conversion drops at low output voltages, since the transformer has a lower coupling and thus generates more losses. Thus, a transformer with a gear ratio of one would be the most efficient design, and then no consumers can be supplied, which require a much lower operating voltage than the intermediate circuit voltage. In the case of a boost converter, this means a minimum consumer voltage, which theoretically must have at least the value of the mains peak voltage, practically a somewhat higher value.

Weiterhin kann eine Leistungsfaktor-Korrekturschaltung, welche für einen einphasigen Betrieb mit Anschluss an ein öffentliches Stromnetz zwischen einer Phase und dem Neutralleiter ausgelegt ist, nicht ohne Weiteres als dreiphasiges symmetrisches System betrieben werden, indem 3 identische, auf einphasigen Betrieb ausgelegte Leistungsfaktor-Korrektureinheiten so miteinander verschaltet werden, dass jeweils die Außenleiter-Spannung an einer Einheit anliegt. Dies würde eine höhere Zwischenkreisspannung erfordern, welche in der Regel die zulässigen Höchstwerte für die Betriebsspannungen der Elektrolyt-Kondensatoren und die eingesetzten Halbleiter des nachgeschalteten Tiefsetzstellers überschreiten würde. Gerade hinsichtlich der Elektrolyt-Kondensatoren ist die Verfügbarkeit von entsprechend spannungsfesten Komponenten bei Spannungen über 450 V sehr eingeschränkt.Furthermore, a power factor correction circuit designed for single-phase operation connected to a public grid between a phase and the neutral can not easily be operated as a three-phase balanced system by combining three identical single-phase power factor correction units with each other be interconnected, that in each case the outer conductor voltage is applied to a unit. This would require a higher intermediate circuit voltage, which would generally exceed the permissible maximum values for the operating voltages of the electrolytic capacitors and the semiconductors used in the downstream step-down converter. Especially with regard to the electrolytic capacitors, the availability of correspondingly voltage-resistant components at voltages above 450 V is very limited.

Eine ähnliche Situation ergibt sich, wenn ein und dasselbe System für einen Betrieb in unterschiedlichen einphasigen Stromnetzen eingesetzt werden soll, um beispielsweise durch Erhöhung der Stückzahlen aufgrund einer weltweiten Einsetzbarkeit die Produktionskosten zu senken. Hier ergibt sich bei einer Auslegung auf die niedrigere Netzspannung dasselbe Problem wie bei einem dreiphasigen Betrieb; wird das System hingegen auf die höhere Netzspannung ausgelegt, wären für den Anschluss an das niedrigere Versorgungsnetz höhere Werte für die Zwischenkreiskapazität notwendig, um dieselbe Leistung übertragen zu können. Dies steht dem Gedanken der identischen Ausführung entgegen.A similar situation arises when one and the same system is to be used for operation in different single-phase power grids in order, for example, to reduce production costs by increasing the number of units due to global applicability. This results in the same problem with a design for the lower mains voltage as in a three-phase operation; if, on the other hand, the system is designed for the higher mains voltage, higher values for the DC link capacitance would be necessary for connection to the lower supply network in order to transmit the same power. This conflicts with the idea of identical execution.

Es ergibt sich durch eine übliche Ausführungsform der Tiefsetzung mittels Transformator einmal der Nachteil der erhöhten elektrischen Verluste aufgrund einer verhältnismäßig niedrigen Kopplung, sowie die Frage nach einer Lösung, welche für unterschiedliche Stromnetze gleichermaßen geeignet ist.It results from a common embodiment of the downsizing by means of transformer once the disadvantage of increased electrical losses due to a relatively low coupling, as well as the question of a solution which is equally suitable for different power grids.

Eine Lösung hierfür ist aus [1] bekannt, wo ein einstufiger Buck-Boost-Konverter beschrieben wird, der nur 2 Halbleiterschalter und eine Speicherdrossel benötigt. Weiterhin wird in [1] eine Steuerstrategie beschrieben, welche im Tiefsetz- oder Hochsetzmodus jeweils nur einen der beiden Schalter mit einem pulsweitenmodulierten Signal ansteuert, während der andere entweder dauerhaft ein- oder ausgeschaltet ist.A solution to this problem is known from [1], where a single-stage buck-boost converter is described which requires only 2 semiconductor switches and one storage choke. Furthermore, a control strategy is described in [1], which in bucking or boosting mode controls only one of the two switches with a pulse-width-modulated signal, while the other is either permanently switched on or off.

Jedoch ist die daraus bekannte Steuerstrategie nur für den Betrieb mit konstanter Eingangsspannung geeignet, und nicht zur Regelung des Leistungsfaktors an einer Wechselspannungsquelle.However, the control strategy known from it is suitable only for operation with a constant input voltage, and not for regulating the power factor at an AC voltage source.

In [2] wird ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Topologie zur Leistungsfaktorkorrektur beschrieben. Dabei wird der Schaltung ein Brückengleichrichter vorgeschaltet, um die minimale Voraussetzung für die Topologie, eine unipolare Eingangsspannung, zu erreichen. Das Verfahren verwendet prinzipiell dieselbe Steuerstrategie wie [1], indem nur einer der beiden Schalter mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert wird. Die Pulsweitenmodulation wird in diesem Verfahren durch eine Peakstrom-Detektion im Hochsetz-Modus, sowie eine Valleystrom-Detektion im Tiefsetzmodus generiert. Die Umschaltung zwischen den beiden Modi erfolgt durch Messung und Auswertung von Eingangs- und Ausgangsspannung. Durch diese Betriebsstrategie werden jedoch sehr hohe Rippelströme im Bereich der Schaltfrequenz erzeugt, welche aufgrund der regulatorischen Vorgaben bei Schaltfrequenzen ab 150 kHz zu einer unzulässig hohen leitungsgebundenen Störaussendung führen würde. In [2] wurde eine Schaltfrequenz von 28 kHz gewählt, was zum Einen weit unterhalb des Bereichs liegt, in dem durch entsprechende Normen festgelegte Grenzwerte gelten, zum Anderen ausreichend weit oberhalb des Bereichs liegt, welcher durch die EMV-Grundnormen zur Störstromerzeugung an öffentlichen Stromnetzen abgedeckt ist.In [2] a method for operating such a power factor correction topology is described. In this case, the circuit is preceded by a bridge rectifier to the minimum condition for the topology, a unipolar Input voltage, reach. In principle, the method uses the same control strategy as [1], in that only one of the two switches is driven with a pulse width modulated signal. The pulse width modulation is generated in this method by a peak current detection in the boost mode, and a valle current detection in the step-down mode. Switching between the two modes is done by measuring and evaluating the input and output voltage. However, this operating strategy produces very high ripple currents in the range of the switching frequency, which would lead to an inadmissibly high conducted interference emission due to the regulatory requirements at switching frequencies from 150 kHz. In [2], a switching frequency of 28 kHz was chosen, which is far below the range in which limits set by corresponding standards apply, and which, for another, are sufficiently far above the range specified by the basic EMC standards for generation of disturbances in public power grids is covered.

Wird nur die Steuerstrategie von [1] zur Leistungsfaktorkorrektur eingesetzt, indem die beiden beschriebenen Modi miteinander derart kombiniert werden, dass während jeder Sinus-Halbwelle zum Zeitpunkt der Spannungsgleichheit von Eingangs- und Ausgangsspannung umgeschaltet wird, ergibt sich durch Auswertung der theoretischen Übertragungsfunktionen beider Modi kein gemeinsamer Wert für die Pulsweite zum Umschaltzeitpunkt, was zu einer Reglerinstabilität und unerwünschten Stromspitzen im Umschaltmoment führt. Eine einfache und naheliegende Lösung hierfür ist die kurzzeitige Deaktivierung beider Schalter, was zu einem Stromeinbruch und sinkendem Leistungsfaktor führt.If only the control strategy of [1] is used for power factor correction by combining the two modes described so that the input and output voltage are switched during each sine wave at the time of voltage equality, there will be no evaluation by evaluating the theoretical transfer functions of both modes common value for the pulse width at the switching time, which leads to a controller instability and unwanted current peaks in the switching moment. A simple and obvious solution for this is the short-term deactivation of both switches, which leads to a power dip and sinking power factor.

Gerade im Zuge der Weiterentwicklung von neuartigen Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand, insbesondere zum gegenwärtigen Zeitpunkt Silizium-Carbid (SiC) und Gallium-Nitrid (GaN), könnten solche Topologien auch mit sehr hohen Schaltfrequenzen betrieben werden, um Bauraum, Gewicht und Kosten einzusparen und gleichzeitig die Effizienz zu steigern.Especially in the course of further development of novel semiconductor materials with large band gap, especially at the present time silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), such topologies could also be operated with very high switching frequencies to save space, weight and cost and at the same time to increase efficiency.

Die bekannten Verfahren, insbesondere aus [1] und [2], sind für solche Anwendungen daher nicht anwendbar und es stellt sich die Frage nach einer Steuerstrategie einer Buck-Boost-Schaltung mit beliebigen Eingangs- und Ausgangsspannungen und einem möglichst unterbrechungsfreien Umschaltvorgang zwischen den Betriebsarten „Hochsetzen” und „Tiefsetzen”.The known methods, in particular from [1] and [2], are therefore inapplicable for such applications, and the question arises of a control strategy of a buck-boost circuit with arbitrary input and output voltages and a possible interruption-free switching between the operating modes "Boosting" and "lowering".

Eine Lösung dieser Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs nach Anspruchs 1 erreicht. Weitere günstige Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.A solution to this problem is achieved by a method having the features of the preamble of claim 1. Further favorable embodiments emerge from the subclaims.

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betrieb eines Buck-Boost-Konverters mit zumindest zwei Schaltern, welches die Aufgabenstellung der Umschaltung zwischen den beiden Modi erfindungsgemäß dadurch löst, dass die Pulsbreiten der Schalter kontinuierlich monoton verringert oder erhöht werden, um den im folgenden Modus erforderlichen Zustand zu erreichen.A method is proposed for operating a buck-boost converter with at least two switches, which solves the task of switching between the two modes according to the invention in that the pulse widths of the switches are continuously monotonically reduced or increased to the state required in the following mode to reach.

Dadurch wird ein hartes Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi „Hochsetzen” bzw. „Tiefsetzen” und dementsprechend Stromspitzen oder -lücken verhindert, wodurch beispielsweise ein Leistungsfaktor erhöht und eine Gefahr der Beschädigung von Bauteilen verringert werden kann. Weiterhin kann eine schwankende Eingangs- oder Ausgangsspannung, welche größer oder kleiner als die jeweils andere Spannung (Eingang oder Ausgang) werden kann, durch Applikation des vorgeschlagenen Verfahrens unterbrechungsfrei bedient werden.This prevents a hard switching between the two operating modes "boosting" or "stepping down" and correspondingly current peaks or gaps, whereby, for example, a power factor can be increased and a risk of damage to components can be reduced. Furthermore, a fluctuating input or output voltage, which can be greater or smaller than the other voltage (input or output) can be operated without interruption by application of the proposed method.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird dabei nur eine einzige Reglerstruktur für den gesamten Betriebsbereich verwendet. Eine Reglerstruktur, üblicherweise ein konstantes und ein integrales Verstärkungsglied aufweisend, erzeugt dabei ein der jeweiligen Pulsbreite proportionales Signal, welches zur Einstellung der Pulsbreite dient und dadurch eine Regelung des Stroms durch die Speicherdrossel ermöglicht. Durch die Eigenschaft eines Reglers mit integralem Anteil, den Unterschied zwischen Führungs- und Messgröße immer auf Null ausregeln zu wollen, wird die durch den Regler bestimmte Pulsbreite bei steigender oder fallender Eingangsspannung aufgrund des dann ebenfalls entsprechend steigenden oder fallenden Drosselstroms entsprechend kleiner oder größer.In an advantageous embodiment, only a single controller structure is used for the entire operating range. A regulator structure, usually having a constant and an integral gain member, thereby generates a signal proportional to the respective pulse width, which serves to set the pulse width and thereby enables regulation of the current through the storage inductor. Due to the property of a controller with an integral component, the difference between the control and measured variable always want to zero out, the determined by the controller pulse width with increasing or decreasing input voltage due to the then also correspondingly increasing or decreasing inductor current correspondingly smaller or larger.

Im Hochsetzmodus, solange die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung ist, wird der Strom mit steigender Eingangsspannung ebenfalls zunehmen und die Speicherdrossel entsprechend aufmagnetisiert. Der Regler reduziert dabei die Pulsbreite solange, bis diese den Wert Null annimmt, was bei Gleichheit von Ein- und Ausgangsspannung der Fall ist. Dabei entspricht der Wert Null der Pulsbreite bereits dem Zustand des Schalters im folgenden Tiefsetzmodus, sodass dieser Schalter kontinuierlich den Übergang von Hochsetz- in den Tiefsetzmodus ermöglicht. Anschließend wird die von demselben Regler erzeugte Pulsbreite auf den bis dahin statisch eingeschalteten Schalter angewandt. Da im Tiefsetzmodus mit steigender Eingangsspannung die Pulsbreite weiterhin sinken muss, ist in der Reglerstruktur ansonsten keine Änderung notwendig. Beim Übergang vom Tiefsetz- in den Hochsetzmodus, wenn die Eingangsspannung absinkt, nimmt die durch die Reglerstruktur erzeugte Pulsbreite wieder zu bis zu dem Wert eins, welcher zu einem dauerhaften Einschalten des bis dahin mit dem pulsweitenmodulierten Steuersignal angesteuerten Schalter führt. Da mit fallender Eingangsspannung der Strom ebenfalls fällt, wird der Regler dem entgegenwirken und die Pulsbreite weiter erhöhen. Durch eine Applikation des aus dem Reglerausgang erzeugten pulsweitenmodulierten Steuersignals auf den bis dahin statisch ausgeschalteten Schalter wird wiederum der kontinuierliche Übergang vom Tiefsetz- in den Hochsetzmodus ermöglicht.In boost mode, as long as the input voltage is less than the output voltage, the current will increase with increasing input voltage and the storage choke will be magnetized accordingly. The controller reduces the pulse width until it assumes the value zero, which is the case for equality of input and output voltage. In this case, the value zero of the pulse width already corresponds to the state of the switch in the following step-down mode, so that this switch continuously enables the transition from boost mode to the step-down mode. Subsequently, the pulse width generated by the same controller is applied to the previously static switch on. Since the pulse width must continue to decrease in the step-down mode with increasing input voltage, otherwise no change is necessary in the controller structure. During the transition from buck-boost to boost-up mode, as the input voltage decreases, the pulse width produced by the regulator structure again increases up to the value of one, which until then permanently turns on pulse width modulated control signal driven switch leads. Since the current also falls with falling input voltage, the controller will counteract this and further increase the pulse width. By applying the pulse-width-modulated control signal generated from the controller output to the switch, which was previously switched off statically, the continuous transition from the step-down mode to the step-up mode is again made possible.

Der vom Reglerausgang erzeugte Wert muss im Übergangsmoment vom Hochsetz- in den Tiefsetzmodus als neuer Maximalwert interpretiert werden (Anfangs-Pulsbreite „eins” des nun angesteuerten Schalters), und im Übergangsmoment vom Tiefsetz- in den Hochsetzmodus als neuer Minimalwert (Anfangs-Pulsbreite „Null” des nun angesteuerten Schalters).The value generated by the controller output must be interpreted as a new maximum value in the transition torque from boost to buckle mode (initial pulse width "one" of the now controlled switch), and in the transition torque from buck-boost to boost mode as a new minimum value (initial pulse width "zero "Of the now controlled switch).

Eine weitere günstige Ausführungsform des Verfahrens misst dabei die Pulsbreite des pulsweitenmodulierten Steuersignals und kann aufgrund dessen ohne Kenntnis der Ausgangsspannung entscheiden, welcher Betriebsmodus zu applizieren ist.Another favorable embodiment of the method measures the pulse width of the pulse-width-modulated control signal and can therefore decide without knowledge of the output voltage which operating mode is to be applied.

Damit kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens auf eine unter Umständen kostenintensive isolierte Spannungsmessung gänzlich verzichtet werden.This can be completely dispensed with in a particularly advantageous embodiment of the method to a possibly costly isolated voltage measurement.

Die Erfindung wird anhand 1 bis 4 im Folgenden näher erläutert.The invention is based on 1 to 4 explained in more detail below.

1 zeigt eine typische Schaltung aus dem Stand der Technik, auf welche das vorgeschlagene Verfahren angewendet werden kann 1 shows a typical circuit of the prior art, to which the proposed method can be applied

2 zeigt einen typischen Verlauf einer sinusförmigen, gleichgerichteten Eingangsspannung und den durch das Verfahren erzeugten qualitativen Verlauf der Pulsbreiten der beiden Schalter 2 shows a typical course of a sinusoidal, rectified input voltage and the generated by the process qualitative course of the pulse widths of the two switches

3 zeigt ein weiteres Beispiel eines möglichen Verlaufs der Spannung sowie die daraus resultierenden, durch das vorgeschlagene Verfahren applizierten Pulsbreiten 3 shows a further example of a possible curve of the voltage and the resulting resulting, by the proposed method pulse widths

4 stellt ein Ablaufdiagramm des vorgeschlagenen Verfahrens dar Nachfolgend sind gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. 4 FIG. 3 illustrates a flow chart of the proposed method. Hereinafter, the same components are denoted by the same reference numerals.

In 1 ist eine typische Buck-Boost-Schaltung mit 2 Schaltern (5, 8) und einer Speicherdrossel (7) dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist und worauf das vorgeschlagene Verfahren angewendet werden kann. Dabei muss am Filterkondensator (4) eine unipolare Spannung anliegen, sodass im Falle einer bipolaren Eingangsspannung (1) ein Brückengleichrichter (2) notwendig ist. Zur Verringerung der leitungsgebundenen Störungen wird meist noch eine Filterdrossel (3) zwischen den Gleichrichter (2) und den Filterkondensator (4) geschaltet. Im Falle einer höheren Eingangsspannung (1) gegenüber der Ausgangsspannung am Ausgangskondensator (10) ist der zweite Schalter (8) dauerhaft ausgeschaltet und der erste Schalter (5) wird durch ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert. Solange der erste Schalter (5) leitet, wird Strom in der Speicherdrossel (7) aufgebaut. Wird der erste Schalter (5) ausgeschaltet, baut sich der Strom über die erste Diode (6) wieder ab. Dieses Verfahren entspricht einem Tiefsetzbetrieb. Ist die Eingangsspannung niedriger als die Ausgangsspannung, wird der erste Schalter (5) dauerhaft eingeschaltet und der zweite Schalter (8) durch ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert. Solange der zweite Schalter (8) leitet, wird Strom in der Speicherdrossel (7) aufgebaut. Wird der zweite Schalter (8) ausgeschaltet, baut sich der Strom über die zweite Diode (9) wieder ab. Dieses Verfahren entspricht einem Hochsetzbetrieb.In 1 is a typical buck-boost circuit with 2 switches ( 5 . 8th ) and a storage choke ( 7 ), as known in the art, and to which the proposed method can be applied. At the filter capacitor ( 4 ) have a unipolar voltage, so that in the case of a bipolar input voltage ( 1 ) a bridge rectifier ( 2 ) necessary is. In order to reduce the conducted interference, a filter choke ( 3 ) between the rectifiers ( 2 ) and the filter capacitor ( 4 ). In case of a higher input voltage ( 1 ) with respect to the output voltage at the output capacitor ( 10 ) is the second switch ( 8th ) permanently switched off and the first switch ( 5 ) is driven by a pulse width modulated signal. As long as the first switch ( 5 ), current in the storage choke ( 7 ) built up. Will the first switch ( 5 ), the current builds up via the first diode ( 6 ) again. This method corresponds to a step-down operation. If the input voltage is lower than the output voltage, the first switch ( 5 ) permanently switched on and the second switch ( 8th ) is driven by a pulse width modulated signal. As long as the second switch ( 8th ), current in the storage choke ( 7 ) built up. Will the second switch ( 8th ), the current builds up via the second diode ( 9 ) again. This method corresponds to a boosting operation.

2 zeigt, wie sich das vorgeschlagene Verfahren zur Leistungsfaktorkorrektur mit niedriger Ausgangsspannung einsetzen lässt und welche Pulsmuster daraus resultieren. Solange die Eingangsspannung niedriger als die Ausgangsspannung ist (Zeitraum 0 bis t1), wird der erste Schalter (5) dauerhaft eingeschaltet und der zweite Schalter (8) mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert, welches durch eine Regelstruktur generiert wird. Damit befindet sich die Schaltung im Hochsetzbetrieb. Steigt die Eingangsspannung an, bewirkt die Regelstruktur eine Reduzierung der Pulsbreite des pulsweitenmodulierten Signals. Sobald die Eingangsspannung (4) genauso groß ist wie die Ausgangsspannung (10), erzeugt der Regler eine in der Praxis sehr geringe Pulsbreite, die theoretisch den Wert Null annimmt. Sobald durch die sehr geringe, theoretisch zu Null werdende Pulsbreite der zweite Schalter (8) faktisch nicht mehr eingeschaltet wird, wird dieser dauerhaft ausgeschaltet und folgend die Pulsbreite des ersten Schalters (5) moduliert, sodass die Regelung bei weiter steigender Eingangsspannung (4) unverändert weiterarbeiten kann. Sobald der erste Schalter (5) mit dem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert wird, befindet sich die Schaltung im Tiefsetzbetrieb. In diesem Beispiel ergibt sich der in 2 dargestellte qualitative Verlauf für die Pulsbreite des ersten Schalters (5) während des Tiefsetzbetriebs zwischen t1 und t2. Sinkt die Eingangsspannung (4) wieder ab, so wird die durch die Regelstruktur erzeugte Pulsbreite wieder ansteigen bis diese eine in der Praxis sehr hohe Pulsbreite generiert, welche theoretisch den Wert eins annimmt. Sobald durch diese sehr hohe, theoretisch zu eins werdende Pulsbreite der erste Schalter (5) faktisch dauerhaft eingeschaltet wird, wird dieser durch ein statisches Signal dauerhaft eingeschaltet und folgend die Pulsbreite des zweiten Schalters (8) moduliert, sodass die Regelung bei weiter sinkender Eingangsspannung (4) unverändert weiterarbeiten kann. Sobald der zweite Schalter (8) mit dem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert wird, befindet sich die Schaltung wieder im Hochsetzbetrieb. 2 shows how the proposed method of power factor correction with low output voltage can be used and which pulse patterns result from it. As long as the input voltage is lower than the output voltage (period 0 to t 1 ), the first switch ( 5 ) permanently switched on and the second switch ( 8th ) is driven with a pulse width modulated signal, which is generated by a control structure. Thus, the circuit is in the Hochsetzbetrieb. As the input voltage increases, the control structure reduces the pulse width of the pulse width modulated signal. Once the input voltage ( 4 ) is the same as the output voltage ( 10 ), the controller produces a very low pulse width in practice, which theoretically assumes the value zero. As soon as the second switch (due to the very small pulse width theoretically becoming zero 8th ) is in fact turned off, this is permanently switched off and following the pulse width of the first switch ( 5 ), so that the regulation with increasing input voltage ( 4 ) can continue working unchanged. As soon as the first switch ( 5 ) is driven with the pulse-width modulated signal, the circuit is in the step-down mode. In this example, the in 2 illustrated qualitative course for the pulse width of the first switch ( 5 ) during the step-down operation between t 1 and t 2 . Decreases the input voltage ( 4 ) again, the pulse width generated by the control structure will rise again until it generates a very high pulse width in practice, which theoretically assumes the value one. As soon as this very high pulse width, which theoretically becomes one, becomes the first switch ( 5 ) is switched on permanently, this is permanently switched on by a static signal and following the pulse width of the second switch ( 8th ) is modulated so that the control with a further decreasing input voltage ( 4 ) can continue working unchanged. As soon as the second switch ( 8th ) is driven with the pulse width modulated signal, the circuit is again in the boost mode.

3 zeigt eine allgemeine, beliebig geartete Form der Eingangsspannung (4) und den durch die Regelstruktur erzeugten qualitativen Verlauf der Pulsbreiten der beiden Schalter (5, 8). Dabei kann sowohl die Eingangsspannung (4) als auch die Ausgangsspannung (10) beliebigen zeitlichen Schwankungen unterworfen sein. Durch die Auswertung der aktuellen Pulsbreiten kann das Verfahren einen unterbrechungsfreien Stromfluss in der Buck-Boost-Schaltung erwirken, selbst wenn sowohl Eingangs- als auch Ausgangsspannung (4, 10) schwanken und deren Differenz in unregelmäßigen, unvorhersehbaren Abständen positiv oder negativ wird. 3 shows a general, arbitrary form of the input voltage ( 4 ) and the qualitative course of the pulse widths of the two switches generated by the control structure ( 5 . 8th ). In this case, both the input voltage ( 4 ) as well as the output voltage ( 10 ) be subject to any temporal fluctuations. By evaluating the current pulse widths, the method can obtain an uninterrupted current flow in the buck-boost circuit, even if both the input and output voltages ( 4 . 10 ) and whose difference becomes positive or negative at irregular, unpredictable intervals.

4 veranschaulicht den Ablauf und die Arbeitsweise des Verfahrens. Ausgehend von einer niedrigen Eingangsspannung (4), wenn die Schaltung im Hochsetzbetrieb arbeitet, wird laufend die Pulsbreite des zweiten Schalters (8) überwacht. Solange diese steigt, bleibt die Schaltung im Hochsetzbetrieb. Sinkt die Pulsbreite, wird zusätzlich der aktuelle Wert der Pulsbreite überwacht. 4 illustrates the procedure and the operation of the method. Starting from a low input voltage ( 4 ), when the circuit is operating in boost mode, the pulse width of the second switch ( 8th ) supervised. As long as this increases, the circuit remains in boost mode. If the pulse width decreases, the current value of the pulse width is additionally monitored.

Beträgt der aktuelle Wert Null, wird vom Hochsetz- in den Tiefsetzbetrieb umgeschaltet, indem der zweite Schalter (8) dauerhaft ausgeschaltet und der erste Schalter (5) mit dem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert wird. Solange anschließend dessen Pulsbreite sinkt, bleibt die Schaltung im Tiefsetzbetrieb. Steigt die Pulsbreite, wird zusätzlich der aktuelle Werte der Pulsbreite überwacht.If the current value is zero, it toggles from boost to buck by using the second switch ( 8th ) permanently switched off and the first switch ( 5 ) is driven with the pulse width modulated signal. As long as subsequently its pulse width decreases, the circuit remains in the step-down mode. If the pulse width increases, the current value of the pulse width is additionally monitored.

Beträgt der aktuelle Wert eins, wird wieder vom Tiefsetz- in den Hochsetzbetrieb umgeschaltet, indem der erste Schalter (5) dauerhaft eingeschaltet und der zweite Schalter (8) mit dem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert wird.If the current value is one, it is switched back from the step-down mode to the step-up mode by the first switch ( 5 ) permanently switched on and the second switch ( 8th ) is driven with the pulse width modulated signal.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Eingangsspannung mit Wechsel- und/oder GleichanteilInput voltage with alternating and / or DC component
22
Brücken-GleichrichterBridge rectifier
33
Filterdrosselfilter inductor
44
Filterkondensatorfilter capacitor
55
Erster SchalterFirst switch
66
Erste DiodeFirst diode
77
SpeicherdrosselPower inductor
88th
Zweiter SchalterSecond switch
99
Zweite DiodeSecond diode
1010
Ausgangskondensatoroutput capacitor
1111
Last/VerbraucherLoad / consumer

Literaturquellen:Literature sources:

  • [1] Haifeng Fan, „Design tips for an efficient non-inverting buck-boost converter”, Analog Applications Journal Q3 2014, Texas Instruments, pp. 20–25 .[1] Haifeng Fan, "Design tips for an efficient non-inverting buck-boost converter", Analog Applications Journal Q3 2014, Texas Instruments, pp. 20-25 ,
  • [2] Andersen, Gerd K.; Blaabjerg, Freede; ”Current Programmed Control of a Single-Phase Two-Switch Buck-Boost Power Factor Correction Circuit”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 53, No. 1, Feb 2006, pp. 263–271 .[2] Andersen, Gerd K .; Blaabjerg, Freede; "Current Programmed Control of a Single-Phase Two-Switch Buck-Boost Power Factor Correction Circuit", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 1, Feb 2006, pp. 263-271 ,

Claims (4)

Verfahren zum Betrieb einer Buck-Boost-Schaltung, bestehend aus zumindest 2 Schaltelementen (5, 8) und wenigstens einem induktiven Energiespeicher (7), als Hochsetz- oder Tiefsetzsteller, dadurch gekennzeichnet, dass ein kontinuierlicher Umschaltvorgang zwischen den Betriebsmodi Hochsetzen bzw. Tiefsetzen derart durchgeführt wird, dass die Pulsbreiten der Schalter (5, 8) kontinuierlich monoton verringert oder erhöht werden, um den im folgenden Modus erforderlichen Zustand zu erreichen.Method for operating a buck-boost circuit, comprising at least 2 switching elements ( 5 . 8th ) and at least one inductive energy store ( 7 ), as a step-up or step-down converter, characterized in that a continuous switching operation between the operating modes boosting or stepping down is performed such that the pulse widths of the switches ( 5 . 8th ) are continuously monotonically decreased or increased to achieve the condition required in the following mode. erfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Pulsbreiten sowohl im Hochsetz- als auch im Tiefsetzmodus dieselbe Reglerstruktur verwendet wird.Experience according to claim 1, characterized in that the same controller structure is used to generate the pulse widths both in the boost and in the step-down mode. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium für die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi ist, dass die Pulsbreite bis auf den Wert Null sinkt oder bis auf den Wert eins steigt, wobei bereits vor Erreichen dieser Werte umgeschaltet werden kann.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the criterion for switching between the two modes of operation is that the pulse width decreases to the value zero or increases up to the value one, which can be switched before reaching these values. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi ohne Messung der Ausgangsspannung erfolgt.Method according to claims 1, 2 or 3, characterized in that the switching between the two operating modes takes place without measuring the output voltage.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005030599A1 (en) * 2005-06-30 2007-01-11 Siemens Ag Österreich Control method for two-stage converters

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Non-Patent Citations (2)

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Title
Andersen, Gerd K.; Blaabjerg, Freede; "Current Programmed Control of a Single-Phase Two-Switch Buck-Boost Power Factor Correction Circuit", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 53, No. 1, Feb 2006, pp. 263–271
Haifeng Fan, „Design tips for an efficient non-inverting buck-boost converter", Analog Applications Journal Q3 2014, Texas Instruments, pp. 20–25

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