DE102016220728A1 - Verfahren zur Gleichrichtung einer sinusförmigen Eingangsspannung in eine Gleichspannung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gleichrichtung einer sinusförmigen Eingangsspannung (U) in eine Gleichspannung (U), wobei durch eine Totem-Pole Schaltung, die zumindest ein steuerbares Halbleiterschaltelement (15, 16) umfasst, zur Leistungsfaktorkorrektur ein Eingangsstrom in Sinus-Form und in Phase zu der sinusförmigen Eingangsspannung gebracht wird. Dem Eingangsstrom ist ein Rippelstrom (I) überlagert, bei dem das zumindest eine steuerbare Halbleiterschaltelement (15, 16) in Abhängigkeit eines Vergleichs eines gemessenen Istwerts (I) des Eingangsstroms mit einem Sollstrom (I), der um einen vorgegebenen Rippelstrom (I) korrigiert ist, ein- und ausgeschaltet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gleichrichtung einer sinusförmigen Eingangsspannung in eine Gleichspannung, wobei durch eine Totem-Pole-Schaltung, die zumindest ein steuerbares Halbleiterschaltelement umfasst, zur Leistungsfaktorkorrektur ein Eingangsstrom in Sinus-Form und in Phase zu der sinusförmigen Eingangsspannung gebracht wird, wobei dem Eingangsstrom ein Rippelstrom überlagert ist.
• Die Gleichrichtung einer sinusförmigen Eingangsspannung, die z.B. von einem ein Niederspannungsnetz mit einer Spannung von z.B. 230V bereitgestellt wird, in eine Gleichspannung ist beispielsweise beim Laden eines Energiespeichers eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs oder eines Plug-In-Hybrid-Fahrzeugs erforderlich. Eine dazu erforderliche Gleichrichterschaltung ist Bestandteil eines Ladegeräts. Ein solches Ladegerät kann fester Bestandteil eines Kraftfahrzeugs sein, wobei es erforderlich ist, dass die zur Gleichrichtung erforderlichen Komponenten mit möglichst geringem Volumen in das Kraftfahrzeug integrierbar sind.
• Aus Gründen der Netzverträglichkeit muss bei der Gleichrichtung der von dem Wechselspannungsnetz bereitgestellten Wechselspannung der Eingangsstrom sinus-förmig und in Phase zur Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes sein. Dies wird durch die bekannte Leistungsfaktorkorrektur (englisch: Power Factor Correction, PFC) erreicht, durch die störende Oberwellen eliminiert und Blindleistung kompensiert wird. Eine Leistungsfaktorkorrektur kann beispielsweise mit Hilfe eines Hochsetzstellers realisiert sein, bei dem die sinusförmige Eingangsspannung auf eine Spannung oberhalb der Netzspannung angehoben wird. Mit Hilfe der Leistungsfaktorkorrektur wird an den Eingangsklemmen der Gleichrichterschaltung zwar der gewünschte sinusförmige Eingangsstrom erreicht, der jedoch mit einem unerwünschten, hochfrequenten Schaltrippelstrom überlagert ist, welcher aus dem Betrieb der Leistungsfaktorkorrekturschaltung resultiert.
• Zur Regelung des gewünschten sinusförmigen Eingangsstroms gibt es verschiedene Verfahren, wie z.B. die bekannte Average-Current-Mode-Regelung, bei der der Mittelwert des Eingangsstroms geregelt wird. Eine positive Halbwelle des Eingangsstroms, der nach der Average-Current-Mode-Regelung geregelt wird, ist exemplarisch in 1 dargestellt. 1 zeigt den Eingangsstrom I über der Zeit t. Der sinusförmige Sollwert des Eingangsstroms ist mit I_soll bezeichnet. Bedingt durch den hochfrequenten Betrieb einer Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur ergibt sich der mit I_ripple gekennzeichnete Strom. Der Strom I_ripple resultiert aus einer Regelung bei der ein Halbleiterschaltelement der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur derart ein- und ausgeschaltet wird, dass im Mittel ein sinusförmiger Eingangsstrom resultiert, der I_soll angenähert ist. Bei einer solchen Regelung erhält man einen wie in 1 gezeigten Rippelstrom I_ripple, der abhängig von einer Schaltfrequenz f_S des Halbleiterschaltelements (f_S = 1/T_S), einer Induktivität einer PFC-Drossel des Hochsitzstellers sowie einem betriebspunktabhängigen eingestellten Tastverhältnis D ist. In 1 ist gut zu erkennen, dass zu einem jeweiligen Zeitpunkt T₀, T₀+T_s, T₀+2T_S usw. (allgemein T₀+nT_S, wobei im gewählten Ausführungsbeispiel n = 0 bis 12 ist) beispielsweise ein Einschaltvorgang des Halbleiterschaltelements erfolgt, so dass ein Anstieg des Eingangsstroms erfolgt, während das Ausschalten dieses Halbleiterschaltelements, durch das ein Absinken des Eingangsstroms erfolgt, abhängig von einem gemessenen Mittelwert des Eingangsstroms ist.
• Nachteilig bei dieser Art der Regelung ist, dass je nach dem Betriebspunkt der Rippelstrom I_ripple relativ groß, aber auch relativ klein werden kann. Dies kann in 1 gut ersehen werden, dass die Maxima und Minima des Rippelstroms I_ripple mal näher und mal weiter entfernt vom Soll-Wert des Eingangsstrom I_soll sind. Ein großer Rippelstrom I_ripple ist dabei problematisch für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sowie die Schaltelemente der Leistungsfaktorkorrekturschaltung. Ein kleiner Rippelstrom I_ripple bedeutet, dass bei angenommenem konstanten Rippelstrom I_ripple grundsätzlich auch mit einer geringeren Schaltfrequenz gearbeitet werden könnte, um die Schaltverluste in dem zumindest einem Halbleiterschaltelement der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur zu reduzieren.
• Eine Eigenheit des beschriebenen Regelverfahrens ist somit, dass sich der Rippelstrom je nach Betriebspunkt ändert. Hierdurch ergibt sich ein geringerer Gesamtwirkungsgrad der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur aufgrund hoher Schaltverluste wegen einer großen Anzahl an Schaltvorgängen.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Gleichrichtung einer sinusförmigen Eingangsspannung in eine Gleichspannung anzugeben, das die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Gleichrichtung einer sinusförmigen Eingangsspannung in eine Gleichspannung, wobei durch eine Totem-Pole-Schaltung, die zumindest ein steuerbares Halbleiterschaltelement umfasst, zur Leistungsfaktorkorrektur ein Eingangsstrom in Sinus-Form und in Phase zu der sinusförmigen Eingangsspannung gebracht wird, wobei dem Eingangsstrom ein Rippelstrom überlagert ist. Das zumindest eine steuerbare Halbleiterschaltelement der Totem-Pole-Schaltung wird in Abhängigkeit eines Vergleichs eines gemessenen Ist-Werts des Eingangsstroms mit einem Sollstrom, der um einen vorgegebenen Rippelstrom korrigiert ist, ein- und ausgeschaltet.
• Hierdurch ist es möglich, einen Eingangsstrom bereitzustellen, der einen konstanten Rippelstrom aufweist. Gleichzeitig ist es möglich, den Rippelstrom klein auszuführen, wodurch weniger Filterkomponenten benötigt werden.
• Grundlage für dieses Verfahren ist dabei eine Leistungsfaktorkorrektur mit Hilfe einer Totem-Pole-Schaltung, welche vorzugsweise schnell schaltende Halbleiterschaltelemente, wie z.B. Galliumnitrid (GaN)- oder Siliziumcarbid (SiC)-Feldeffekttransistoren umfasst. Diese weisen den Vorteil auf, dass diese schnell und mit geringen Verlusten geschaltet werden können. Da sowohl der Einschaltzeitpunkt als auch der Ausschaltzeitpunkt in Abhängigkeit des Vergleichs des gemessenen Iststroms des Eingangsstroms mit einem Sollstrom, der um einen vorgegebenen Rippelstrom korrigiert ist, bestimmt wird, variiert die Schaltfrequenz des Schalttransistors. Hier ergibt sich der erwünschte arbeitspunktunabhängige konstante Rippelstrom.
• Das zumindest eine Halbleiterschaltelement wird gemäß einer Ausgestaltung dann eingeschaltet, wenn der gemessene Iststrom des Eingangsstroms kleiner ist als die Differenz des Sollstroms abzüglich des vorgegebenen Rippelstroms. Dies bedeutet, das Einschalten des zumindest einen Halbleiterschaltelements erfolgt, wenn folgende Bedingung erfüllt ist: $${\text{I}}_{\text{ist}}<{\text{I}}_{\text{soll}}-{\text{I}}_{\text{ripple}\text{.}}$$

  
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird das zumindest eine Halbleiterschaltelement ausgeschaltet, wenn der gemessene Istwert des Eingangsstroms größer ist als die Summe des Sollstroms und des vorgegebenen Rippelstroms. Dies bedeutet, das Ausschalten des zumindest eines Halbleiterschaltelements erfolgt, wenn folgende Bedingung erfüllt ist: $${\text{I}}_{\text{ist}}>{\text{I}}_{\text{soll}}+{\text{I}}_{\text{ripple}\text{.}}$$

  
• Dabei wird der Sollstrom aus der gemessenen Eingangsspannung, welche der Totem-Pole-Schaltung und der Gleichrichterschaltung zugeführt wird, ermittelt.
• Ein Tastverhältnis des zumindest einen steuerbaren Halbleiterschaltelements ist variabel bzw. kann variabel gewählt werden. Zweckmäßigerweise wird die Schaltfrequenz des zumindest einen steuerbaren Halbleiterschaltelements gewählt bzw. ist variabel.
• Der vorgegebene Rippelstrom wird zweckmäßigerweise als konstanter Rippelstrom gewählt. Es ist zweckmäßig, den Rippelstrom so klein wie möglich zu wählen, um EMV-Anforderungen einzuhalten. Ein kleiner Rippelstrom hat dabei eine große Schaltfrequenz zur Folge. Die Höhe des Rippelstroms ist daher ein Abwägen zwischen den EMV-Anforderungen und der Höhe der Schaltfrequenz.
• Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert.
• Es zeigen:
• 1 einen Ausschnitt aus dem Verlauf eines mittels der bekannten Average-Current-Mode-Regelung geregelten Eingangsstroms;
• 2 eine Darstellung des mit einem Rippelstrom überlagerten Schaltstroms in Abhängigkeit von der Zeit gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, wobei in einer Detailansicht der Schaltstrom zu drei unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt ist;
• 3 eine zeitliche Darstellung der Schaltfrequenz bei einem erfindungsgemäßen Verfahren; und
• 4 eine schematische Darstellung eines elektrischen Ersatzschaltbildes einer Totem-Pole-Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gleichrichtung einer sinusförmigen Eingangsspannung in eine Gleichspannung.
• Als Grundlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gleichrichtung einer sinusförmigen Eingangsspannung in eine Gleichspannung dient eine, wie in 4 gezeigte Totem-Pole-Schaltung. Die Eingangsspannung wird von einer Wechselspannungsquelle 10, beispielsweise einem Niederspannungsnetz mit z.B. 230V, bereitgestellt. Die weiteren in 4 gezeigten Komponenten sind Komponenten der Totem-Pole-Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur der sinusförmigen Eingangsspannung U_in.
• Mit den Klemmen der Wechselspannungsquelle 10 ist ein Eingangskondensator 11 verbunden. Dem Eingangskondensator 11 ist ein Spannungsmessmittel 12 parallel geschaltet. Ein erster Anschluss des Spannungsmessmittels 12 ist über ein Strommessmittel 13 und eine PFC-Drossel 14 mit einem Knotenpunkt 21 verbunden. An den Knotenpunkt 21 sind zwei Halbleiterschaltelemente 15, 16 angeschlossen. Bei den Halbleiterschaltelementen handelt es sich beispielsweise um GaN- oder SiC-MOSFETs. Grundsätzlich könnten auch andere Halbleiterschaltelemente, wie z.B. IGBTs oder andere Arten von Feldeffekt-Halbleiterschaltelementen zum Einsatz kommen. Die Serienschaltung der beiden Halbleiterschaltelemente 15, 16 ist zwischen einem ersten Versorgungspotentialanschluss 22 und einem Bezugspotentialanschluss 23 verschaltet. Parallel zu der Serienschaltung aus den Halbleiterschaltelementen 15, 16 ist eine Serienschaltung aus zwei Dioden 17, 18 verschaltet. Dabei ist der Kathodenanschluss der Diode 17 mit dem Potentialanschluss 22 und der Anodenanschluss der Diode 18 mit dem Bezugspotentialanschluss 23 verschaltet. Ein Knotenpunkt 24 zwischen den Dioden 17, 18 ist mit einem zweiten Anschluss des Spannungsmessmittels 12 bzw. einer Klemme der Wechselspannungsquelle 10 verschaltet. Zwischen dem Potentialanschluss 22 und dem Bezugspotentialanschluss 23 ist ferner ein Glättungskondensator 19 verschaltet. Zwischen den Klemmen des Versorgungspotentialanschlusses 22 und des Bezugspotentialanschlusses 23 liegt eine gleichgerichtete Ausgangsspannung U_out der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur an, welche über einer mit dem Potentialanschluss 22 und dem Bezugspotentialanschluss 23 verbundenen Last 20 abfällt. Die Ausgangsspannung U_out wird über ein Spannungsmessmittel 24 erfasst, wobei eine Regelung der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur auf die Ausgangsspannung U_out erfolgt. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung U_out weist aufgrund der Arbeitsweise der als Hochsetzsteller ausgebildeten Totem-Pole-Schaltung eine höhere Spannung als die sinusförmige Eingangsspannung U_in auf. Obwohl die Last 20 im hier gezeigten Ausführungsbeispiel einen Widerstand darstellt, handelt es sich bei dieser, wenn das Verfahren zum Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, um eine primärseitige Last, welche galvanisch getrennt von einer sekundärseitigen Last des Ladegeräts ist. Die Last kann beispielsweise der Eingang eines DC/DC Wandlers zur galvanischen Trennung zum Energiespeicher des Kraftfahrzeugs sein.
• Zur Erzeugung eines Eingangsstroms, der eine Sinusform aufweist und in Phase zu der sinusförmigen Eingangsspannung ist, wird in der positiven Halbwelle z.B. das Halbleiterschaltelement 16 ein- und ausgeschaltet, während das Halbleiterschaltelement 15 als aktiver Gleichrichter geschaltet wird und in der positiven Halbwelle als Diode fungiert. Dadurch ist der eingangs bereits beschriebene Rippelstrom I_ripple dem Eingangsstrom überlagert. In der negativen Halbwelle wird dann das Halbleiterschaltelement 16 als aktiver Gleichrichter geschaltet und fungiert in der negativen Halbwelle als Diode. Das Halbleiterschaltelement 15 wird ein- und ausgeschaltet, wodurch dem sinusförmigen Eingangsstrom der Rippelstrom I_ripple überlagert ist. Der sich aus der Überlagerung des sinusförmigen Eingangsstroms und des Rippelstroms I_ripple ergebende Strom ist der Ist-Strom I_ist . Das Ein- bzw. Ausschalten des gerade „aktiven“ Halbleiterschaltelements erfolgt periodisch. Dieses in Verbindung mit 1 bereits beschriebenes Vorgehen ist dem Fachmann prinzipiell bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine eingehendere Beschreibung verzichtet wird.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Abwandlung dieses aus dem Stand der Technik bekannten Prinzips dahingehend, dass die Schaltfrequenz des ein- und ausgeschalteten Haltleiterschaltelements (in der positiven Halbwelle das Halbleiterschaltelement 16, während das Halbleiterschaltelement 15 als aktiver Gleichrichter geschaltet wird und in der positiven Halbwelle als Diode fungiert, und in der negativen Halbwelle das Halbleiterschaltelement 15, während das Halbleiterschaltelement 16 als aktiver Gleichrichter geschaltet wird und in der negativen Halbwelle als Diode fungiert) nicht konstant ist, da der Einschaltzeitpunkt ebenso wie der Ausschaltzeitpunkt von folgenden Schaltbedingungen abhängig ist
  Einschalten: $${\text{I}}_{\text{ist}}<{\text{I}}_{\text{soll}}-{\text{I}}_{\text{ripple}}$$

  

  
  Ausschalten: $${\text{I}}_{\text{ist}}>{\text{I}}_{\text{soll}}+{\text{I}}_{\text{ripple}}\text{.}$$

  
• Dabei wird der Rippelstrom I_ripple auf einen konstanten Wert vorgegeben. Der Sollwert des Eingangsstroms wird aus der durch das Spannungsmessmittel 12 ermittelten Eingangsspannung errechnet. Dadurch ist gleichzeitig sichergestellt, dass eine Phasenübereinstimmung von Eingangsstrom und Eingangsspannung besteht. Der Sollwert des Eingangsstroms I_soll kann z.B. durch Multiplikation der gemessenen Eingangsspannung U_n mit einem bekannten Faktor bestimmt werden.
• Erfolgt das Schalten gemäß den oben beschriebenen Bedingungen, ergibt sich ein arbeitspunktunabhängiger konstanter Rippelstrom I_ripple , wie dieser beispielsweise schematisch in 2 dargestellt ist. Die obere Darstellung der 2 zeigt dabei den mit dem Rippelstrom I_ripple überlagerten Schaltstrom. Die untere Darstellung zeigt eine detaillierte Ansteuerung zu den in der oberen Hälfte dargestellten verschiedenen Zeitpunkten „1“, „2“ und „3“. Hier wird deutlich, dass der Rippelstrom I_ripple arbeitspunktunabhängig konstant ist, während die Schaltfrequenz variabel gewählt ist. Die untere Darstellung zeigt die verschiedenen Tastverhältnisse D zu den Zeitpunkten „1“, „2“ und „3“. Zum Zeitpunkt „1“ beträgt das Tastverhältnis D₁ = 0,25. Dies bedeutet, das in der positiven Halbwelle aktive Halbleiterschaltelement ist zu 25% eingeschaltet und zu 75% der sich aus der Schaltfrequenz ergebenen Zeit ausgeschaltet. In der mit dem Bezugszeichen „1“ gezeichneten Periode steigt der Strom somit eine kurze Zeit an und eine verhältnismäßig lange Zeit ab. Demgegenüber beträgt das Tastverhältnis zum Zeitpunkt „2“ D₂ = 0,5. Wie ohne weiteres aus einem Vergleich zu den Zeitpunkten „1“ und „3“ ersichtlich ist, ist die Periodendauer zum Zeitpunkt „2“ wesentlich kürzer. Zum Zeitpunkt „3“, zu dem der sinusförmige Eingangsstrom in der positiven Halbwelle annähernd seinen Maximalwert erreicht hat, ist die Einschaltzeit beim Tastverhältnis von D₃ = 0,75 dreimal so lang wie seine Ausschaltzeit.
• Durch die oben genannten Schaltbedingungen für das Ein- und Ausschalten des in der jeweiligen Halbwelle aktiven Halbleiterschaltelements ergibt sich eine variable Betriebsfrequenz, die qualitativ in 3 dargestellt ist. Dabei ist ohne weiteres zu erkennen, dass die Frequenz f einen in der ersten Halbwelle HW1 und in der zweiten Halbwelle HW2 ähnlichen Verlauf aufweist. Dadurch können im Ergebnis die Schaltverluste beim Betrieb der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur deutlich reduziert werden. Insbesondere ist die Schaltfrequenz der Halbleiterschaltelemente der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur immer nur so hoch, wie dies gerade nötig ist. Die maximale Schaltfrequenz ist immer begrenzt.
• Dadurch ergibt sich im Ergebnis ein erhöhter Gesamtwirkungsgrad. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch den bekannten und vorgegebenen konstanten Rippelstrom eine einfache Anpassung von EMV-Filtern möglich ist.
• Das Verfahren lässt sich mit geringem Softwareaufwand bei Verwendung geeigneter Mikroprozessoren zur Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente auf einfache Weise realisieren.
• Bezugszeichenliste

10

Wechselspannungsquelle

11

Eingangskondensator

12

Spannungsmessmittel

13

Strommessmittel

14

PFC-Drossel

15

Halbleiterschaltelement

16

Halbleiterschaltelement

17

Diode

18

Diode

19

(Glättungs-)kondensator

20

Last

21

Knotenpunkt

22

Potentialanschluss

23

Bezugspotentialanschluss

24

Spannungsmessmittel

I_ist

Istwert

I_soll

Sollwert

I_ripple

Rippelstrom

Claims (7)

1. Verfahren zur Gleichrichtung einer sinusförmigen Eingangsspannung (U_in) in eine Gleichspannung (U_out), wobei durch eine Totem-Pole Schaltung, die zumindest ein steuerbares Halbleiterschaltelement (15, 16) umfasst, zur Leistungsfaktorkorrektur ein Eingangsstrom in Sinus-Form und in Phase zu der sinusförmigen Eingangsspannung gebracht wird, wobei dem Eingangsstrom ein Rippelstrom (I_ripple) überlagert ist, bei dem das zumindest eine steuerbare Halbleiterschaltelement (15,16) in Abhängigkeit eines Vergleichs eines gemessenen Istwerts (I_ist) des Eingangsstroms mit einem Sollstrom (I_soll), der um einen vorgegebenen Rippelstrom (I_ripple) korrigiert ist, ein- und ausgeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zumindest eine Halbleiterschaltelement (15, 16) eingeschaltet wird, wenn der gemessene Istwert (I_ist) des Eingangsstroms kleiner ist als die Differenz des Sollstrom (I_soll) abzüglich des vorgegebenen Rippelstroms (I_ripple).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das zumindest eine Halbleiterschaltelement (15, 16) ausgeschaltet wird, wenn der gemessene Istwert (I_ist) des Eingangsstroms größer ist als die Summe des Sollstroms (I_soll) und des vorgegebenen Rippelstroms (I_ripple).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sollstrom (I_soll) aus der gemessenen Eingangsspannung (U_in) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Tastverhältnis D des zumindest einen steuerbaren Halbleiterschaltelements (15, 16) variabel ist bzw. gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schaltfrequenz des zumindest einen steuerbaren Halbleiterschaltelements (15, 16) variabel ist bzw. gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als vorgegebener Rippelstrom (I_ripple) ein konstanter Rippelstrom gewählt wird.

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