DE102017128123A1 - Method for self-optimization of the efficiency of a switching regulator operated in one operating point - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstoptimierung des Wirkungsgrads eines in einem Arbeitspunkt betriebenen Schaltreglers zur Transformation einer ersten Spannung in eine von dieser verschiedenen zweiten Spannung. Dabei wird ein Satz von einem gewünschten Arbeitspunkt zugeordneten Ausgangs- bzw. Anfangsbetriebsparametern des Schaltreglers bereitgestellt, mit dem der Schaltregler als Ausgangspunkt der Optimierung betrieben wird. Für sämtliche Ausgangsbetriebsparameter gemäß einem mathematischen Optimierungsverfahrens wird jeweils mindestens einer der Ausgangsbetriebsparameter des bereitgestellten Satzes von Ausgangsbetriebsparametern unter Beibehaltung mindestens eines anderen Ausgangsbetriebsparameters dieses Satzes automatisch verändert, bis der Wirkungsgrad ein absolutes Maximum oder ein lokales Maximum annimmt. Danach erfolgt das Ersetzen des geänderten Ausgangsbetriebsparameters als neuer Betriebsparameter für den Betrieb des Schaltreglers im gewünschten Arbeitspunkt. So wird mit jedem Ausgangsbetriebsparameter des zur Verfügung gestellten Satzes verfahren.The invention relates to a method for self-optimization of the efficiency of a operated in an operating point switching regulator for transforming a first voltage in a different from this second voltage. In this case, a set of output operating parameters associated with a desired operating point or the initial operating parameters of the switching regulator is provided, with which the switching regulator is operated as a starting point for the optimization. For all output operating parameters according to a mathematical optimization method, at least one of the output operating parameters of the provided set of output operating parameters is automatically changed while maintaining at least one other output operating parameter of this set until the efficiency assumes an absolute maximum or a local maximum. Thereafter, the replacement of the changed output operating parameter takes place as a new operating parameter for the operation of the switching regulator in the desired operating point. This is the procedure for each output operating parameter of the provided block.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstoptimierung des Wirkungsgrads eines in einem Arbeitspunkt betriebenen Schaltreglers zur Transformation einer ersten Spannung in eine von dieser verschiedenen zweiten Spannung.The invention relates to a method for self-optimization of the efficiency of a operated in an operating point switching regulator for transforming a first voltage in a different from this second voltage.
Für das Umsetzen von Gleichspannungen oder auch das Umwandeln von Gleich- in Wechselspannung, also für das Transformieren einer ersten oder Eingangsspannung in eine von dieser verschiedene zweite oder Ausgangsspannung werden häufig Schaltregler eingesetzt, da sie meist einen guten Wirkungsgrad aufweisen oder es keine andere technische Möglichkeit gibt, die gewünschte Spannung zur Verfügung zu stellen.For the conversion of DC voltages or the conversion of DC to AC, so for the transformation of a first or input voltage in a different from this second or output voltage switching regulator are often used, since they usually have a good efficiency or there is no other technical possibility to provide the desired voltage.
Insbesondere aber der hohe Wirkungsgrad wird als zunehmend wichtiger betrachtet. Um eine Optimierung des Wirkungsgrades bei Schaltreglern zu erreichen, werden verschiedene Möglichkeiten - ggf. auch gleichzeitig - genutzt:
- - Verwendung spezieller Topologien zur Minimierung der parasitären Bauteileeffekte, wie beispielsweise Resonanzwandler, die durch das Schalten im Spannungs- und/oder Stromnulldurchgang ein Umladen der parasitären Kapazitäten der verwendeten Schaltelemente und einen Verlust aus dem Übergang vom leitenden in den sperrenden Bereich und umgekehrt durch endliche Schaltgeschwindigkeiten der verwendeten Leistungsschalter verri ngern.
- - Verwendung optimierter Halbleiterschalter, indem in letzter Zeit häufiger GaN- oder SiC-basierte Transistoren statt der etablierten Si-Transistoren eingesetzt werden, da diese aufgrund höherer Elektronenmobilität bessere Schalteigenschaften aufweisen. Auch wird der Aufbau von Si-MOSFETs weiterhin optimiert.
- - Verwendung besserer passiver Bauteile, wie die Entwicklung von Ferrit-Kernmaterialen mit geringeren Ummagnetisierungsverlusten oder verbesserten Filterkondensatoren mit niedrigeren Innenwiderständen.
- - Optimierung des Schaltmusters, wobei je nach Betriebspunkt des Schaltreglers unterschiedliche Schaltfrequenzen oder Totzeiten (Zeitraum, für den beide Transistoren eine Halbbrücke sperren, um einen zerstörerischen Querfluss zu vermeiden) für einen optimalen Wirkungsgrad sorgen können.
- Use of special topologies for minimizing the parasitic component effects, such as resonance converters, which by switching in the voltage and / or current zero crossing, a reloading of the parasitic capacitances of the switching elements used and a loss from the transition from the conductive to the blocking region and vice versa by finite switching speeds the circuit-breaker used will deteriorate.
- Use of optimized semiconductor switches by lately GaN or SiC-based transistors instead of the established Si transistors are used, since they have better switching properties due to higher electron mobility. Also, the structure of Si-MOSFETs is further optimized.
- - Use of better passive components, such as the development of ferrite core materials with lower core losses or improved filter capacitors with lower internal resistance.
- - Optimization of the switching pattern, depending on the operating point of the switching regulator different switching frequencies or dead times (period for which both transistors lock a half-bridge to avoid a destructive cross-flow) can ensure optimum efficiency.
Für das Ermitteln des optimalen Schaltmusters existieren verschiedene Ansätze. Zum einen ist es möglich, durch Messungen von Spannungen an den Schaltelementen zu bestimmten Zeitpunkten des Schaltzyklus Aussagen darüber zu treffen, in welche Richtung Schaltzeiten verstellt werden müssen, um das Optimum zu erreichen (siehe hierzu
Die bisherigen Verfahren der Schaltmusteroptimierung weisen einige Nachteile auf. So erfordert die Messung von Spannungen an den Transistoren zunächst einmal eine entsprechende - meist aufwändige - Messschaltung, welche die Komplexität, den Eigenverbrauch und den Preis des Schaltreglers erhöht. Ebenso ist es möglich, dass aufgrund leichter Ungenauigkeiten im Modell des Reglers der tatsächlich optimale Arbeitspunkt von dem aufgrund der Messung angefahrenen leicht abweicht.The previous methods of switching pattern optimization have some disadvantages. Thus, the measurement of voltages at the transistors initially requires a corresponding - usually expensive - measuring circuit, which increases the complexity, self-consumption and the price of the switching regulator. It is also possible that due to slight inaccuracies in the model of the controller, the actual optimum operating point slightly deviates from the approached due to the measurement.
Eine Selbstoptimierung im Betrieb ist insofern schwierig, als dabei nicht nur ein Parameter (wie z. B. bei dem bei Solarwechselrichtern verwendeten so genannten „Maximum Powerpoint Tracking“), sondern je nach verwendeter Transistorzahl mindestens drei Parameter (Schaltfrequenz, Totzeit bei der Umschaltung von einem auf den anderen Transistor und Totzeit beim umgekehrten Schaltvorgang) gestellt werden müssen. Man müsste daher sequenziell jeweils einen Parameter variieren und das System einschwingen lassen sowie den resultierenden aktuellen Wirkungsgrad bestimmen, was einen sehr lang beizubehaltenden, konstanten Arbeitspunkt voraussetzt und in der Praxis so oft nicht gegeben ist. Ebenso würde bei diesen Verfahren der optimale Wirkungsgradpunkt regelmäßig vorsätzlich verlassen, um das Optimum finden zu können, was für die Optimierung lediglich eines Parameters kaum ins Gewicht fällt, aber bei der Optimierung mehrerer Parameter insbesondere bei nicht konstanten Lasten eine unnötig lange Abweichung vom Optimum bedeuten würde.A self - optimization during operation is difficult because not only one parameter (such as the so - called "Maximum Powerpoint Tracking" used in solar inverters), but at least three parameters depending on the number of transistors used (switching frequency, dead time when switching from one on the other transistor and dead time in the reverse switching operation) must be made. One would therefore have to sequentially vary one parameter at a time and let the system settle and determine the resulting current efficiency, which presupposes a very long-lasting, constant operating point and is often not given in practice. Likewise, in these methods, the optimum efficiency point would regularly deliberately leave to find the optimum, which is of little importance for the optimization of only one parameter, but would mean an unnecessarily long deviation from the optimum in the optimization of several parameters, especially at non-constant loads ,
Die Bestimmung einer Parameterschar als mittlerer Wert über einige Exemplare des Reglers im Rahmen der Entwicklung ist hier vielversprechender, da im Teststand jeder angefahrene Arbeitspunkt künstlich entsprechend lange gehalten werden kann, so dass hier die optimalen Parameter für einige exemplarische Arbeitspunkte bestimmt werden können. Der Raum der möglichen Arbeitspunkte ist mehrdimensional. So muss für verschiedene Eingangsspannungen, Ausgangsspannungen (sofern variabel), Ausgangsströme und die Temperaturen verschiedener Bauteile ein Betriebsparametersatz mit jeweils optimalen Schaltmustern erzeugt werden.The determination of a parameter set as a mean value over some instances of the controller in the context of development is more promising here, since in the test stand each approached operating point can be kept artificially long, so that here the optimal parameters for some exemplary operating points can be determined. The space of possible work points is multi-dimensional. Thus, for different input voltages, output voltages (if variable), output currents and the temperatures of different components, an operating parameter set must be generated, each with optimal switching patterns.
Da der Raum aller Arbeitspunkte bei dieser Messung niemals vollständig abgedeckt werden kann, müssen für den späteren Betrieb die Betriebsparameter für den aktuellen Arbeitspunkt dann aus einer Interpolation der vorbestimmten optimalen Parameter von in der Nähe liegenden Arbeitspunkten bestimmt oder die Parameter des nächstliegenden Punktes verwendet werden. Since the space of all operating points in this measurement can never be completely covered, the operating parameters for the current operating point must then be determined from an interpolation of the predetermined optimum parameters of nearby operating points or the parameters of the nearest point used for later operation.
Allerdings unterliegen die optimalen Betriebsparameter für einen Arbeitspunkt aufgrund von Bauteiltoleranzen auch einer Serienstreuung, so dass für ein optimales Ergebnis eigentlich jedes einzelne Exemplar vermessen werde müsste, was aufwändig ist und den Preis deutlich erhöht.However, due to component tolerances, the optimum operating parameters for one operating point are also subject to series production, so that, for an optimal result, actually each individual copy would have to be measured, which is costly and significantly increases the price.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Optimierung eines Schaltegelers anzugeben.The object of the invention is to provide an improved method for optimizing a Schaltegelers.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Selbstoptimierung des Wirkungsgrads eines in einem Arbeitspunkt betriebenen Schaltreglers zur Transformation einer ersten Spannung in eine von dieser verschiedenen zweiten Spannung vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren
- a) ein Satz von einem gewünschten Arbeitspunkt zugeordneten Ausgangsbetriebsparametern des Schaltreglers bereitgestellt wird, wobei zu den Ausgangsbetriebsparametern des Schaltreglers z. B. die Totzeiten gehören, für die beide Transistoren einer Halbbrücke des Schaltreglers beim wechselseitigen Umschalten von Leiten auf Sperren und umgekehrt Sperren und/oder die Frequenz, mit der die beiden Transistoren einer Halbbrücke des Schaltreglers wechselweise von Leiten auf Sperren und umgekehrt zeitlich verzögert umschalten,
- b) der Schaltregler in einem gewünschten Arbeitspunkt mit dem Satz von diesem Arbeitspunkt zugeordneten, bereitgestellten Ausgangsbetriebsparametern betrieben wird,
- c) für sämtliche Ausgangsbetriebsparameter gemäß einem mathematischen Optimierungsverfahrens jeweils mindestens einer der Ausgangsbetriebsparameter des für den gewünschten Arbeitspunkt bereitgestellten Satzes von Ausgangsbetriebsparametern unter Beibehaltung mindestens eines anderen Ausgangsbetriebsparameters dieses Satzes von Ausgangsbetriebsparametern automatisch verändert wird, bis der Wirkungsgrad ein absolutes Maximum oder ein lokales Maximum annimmt,
- d) Ersetzen des geänderten Ausgangsbetriebsparameters als neuer Betriebsparameter für den Betrieb des Schaltreglers im gewünschten Arbeitspunkt und
- e) Durchführung des mathematischen Optimierungsverfahrens für mindestens einen weiteren der Ausgangsbetriebsparameter gemäß Schritt c) sowie Durchführen des Schritts d), bis sämtliche Ausgangsbetriebsparameter ersetzt sind.
- a) a set of desired operating point associated output operating parameters of the switching regulator is provided, wherein the output operating parameters of the switching regulator z. B. the dead times include, for both transistors of a half-bridge of the switching regulator in the mutual switching of conduction to locks and vice versa locks and / or the frequency with which the two transistors of a half-bridge of the switching regulator alternately from switching to locks and vice versa temporally delayed,
- b) the switching regulator is operated at a desired operating point with the set of output operating parameters assigned to this operating point,
- c) for each output operating parameter according to a mathematical optimization method, at least one of the output operating parameters of the set of output operating parameters provided for the desired operating point is automatically changed while maintaining at least one other output operating parameter of this set of output operating parameters until the efficiency assumes an absolute maximum or a local maximum,
- d) replacing the changed output operating parameter as a new operating parameter for the operation of the switching regulator at the desired operating point and
- e) performing the mathematical optimization method for at least one other of the output operating parameters according to step c) and performing step d) until all output operating parameters have been replaced.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem mathematischen Optimierungsverfahren um ein Gradientenabstiegsverfahren oder ein Verfahren gemäß sukzessiver Approximation.Advantageously, the mathematical optimization method is a gradient descent method or a method according to successive approximation.
Die Erfindung geht davon aus, dass der Anwender normalerweise weiß, wie der Schaltregler eingesetzt wird. Wenn also der Anwender damit den Arbeitspunkt des Schaltreglers definieren kann, kann eine Selbstoptimierung des Schaltreglers auf Basis von voreingestellten Ausgangs-, d. h. Anfangsbetriebsparametern erfolgen, die dem gewünschten Arbeitspunkt zugeordnet sind. Für verschiedene Arbeitspunkte existieren herstellerseitig erstellte Sätze von Ausgangs-(Anfangs-)betriebsparametern. Diese werden nun als Ausgangspunkt für den Betrieb des Schaltreglers im gewünschten Arbeitspunkt verwendet, woraufhin der Schaltregler, initiiert durch einen wie auch immer eingegebenen Befehl mit der Selbstoptimierung beginnt. Aus der Gruppe der Ausgangs-(Anfangs-)betriebsparameter werden nun bis auf einen dieser Parameter alle anderen Ausgangs-(Anfangs-)betriebsparameter beibehalten und der besagte eine Ausgangs-(Anfangs-)betriebsparameter so lange gemäß einem mathematischen Optimierungsverfahren verändert bis der Wirkungsgrad maximiert ist. Dieser neue Betriebsparameter wird im Folgenden anstelle des entsprechenden Ausgangs-(Anfangs-)betriebsparameters verwendet. Mit diesem neuen Betriebsparameter (und zwar unter Beibehaltung desselben) und unter Beibehaltung sämtlicher anderer Ausgangs-(Anfangs-)betriebsparameter bis auf einen dieser Betriebsparameter erfolgt nun der nächste Optimierungsschritt, so dass auf diese Weise nun der zweite Ausgangs-(Anfangs-)betriebsparameter hinsichtlich der Maximierung des Wirkungsgrades optimiert werden kann. Dieser Prozess wird unter zyklischer Vertauschung der involvierten Parameter fortgesetzt, bis sämtliche Ausgangs-(Anfangs-)betriebsparameter optimiert sind.The invention assumes that the user normally knows how the switching regulator is used. Thus, if the user can thus define the operating point of the switching regulator, a self-optimization of the switching regulator based on preset output, d. H. Initial operating parameters are assigned, which are assigned to the desired operating point. For different operating points, manufacturer-created sets of output (initial) operating parameters exist. These are now used as a starting point for the operation of the switching regulator in the desired operating point, whereupon the switching regulator, initiated by a whatever command entered with the self-optimization begins. From the group of output (initial) operating parameters, all other initial (initial) operating parameters are retained, except for one of these parameters, and said one output (initial) operating parameter is varied according to a mathematical optimization procedure until efficiency is maximized is. This new operating parameter is used below instead of the corresponding output (initial) operating parameter. With this new operating parameter (while maintaining the same) and retaining all other output (initial) operating parameters except for one of these operating parameters, the next optimization step is now carried out, so that in this way the second output (initial) operating parameter Maximizing the efficiency can be optimized. This process continues with cyclic commutation of the parameters involved until all output (initial) operating parameters have been optimized.
Nachfolgend wird dargelegt, welche Maßnahmen beispielhaft durchgeführt werden bzw. welche Hardware beispielhaft erforderlich ist, um einen Schaltregler zu befähigen, das erfindungsgemäße Selbstoptimierungsverfahren durchzuführen.In the following, it is explained which measures are performed by way of example or which hardware is required by way of example in order to enable a switching regulator to carry out the self-optimization method according to the invention.
Der Schaltregler enthält neben der Leistungselektronik, welche aus Schaltelementen und den benötigten passiven Bauteilen besteht, auch noch einen Microcontroller, einen programmierbaren Logikbaustein oder einen applikationspezifischen integrierten Halbleiterbaustein (ASIC), der neben der Steuerung des Reglers und der Speicherung eines Betriebsparametersatzes auch noch eine Nutzereingabeschnittstelle enthält. Diese kann über einen für die Steuerung und Auswertung des Reglers bereits vorhanden Kommunikationsbus (CAN, SMB, EtherCat ...) realisiert werden. Alternativ kann dies ein Eingangspin sein, welcher ein von außen an den Regler angelegtes Logiksignal auswertet oder ein auf dem Regler angebrachter Schalter oder Taster. Ebenso verfügt der Regler neben den für eine Regelung erforderlichen Messeinrichtungen für die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung und den Ausgangs- bzw. Spulenstrom auch noch über eine Messmöglichkeit des Eingangsstromes. Die Messung muss nicht notwendigerweise eine hohe Absolutgenauigkeit, wohl aber eine gute Wiederholbarkeit gewährleisten. So kann beispielsweise der Innenwiderstand eines eingangsseitigen Filterelements als Nebenschlusswiderstand herangezogen werden. Zusätzlich wird noch eine binäre Ausgabe benötigt, die über eine (ggf. bereits vorhandene) Statusleuchtdiode, einen akustischen Signalgeber oder über eine Antwort auf dem Kommunikationsbus realisiert werden kann.The switching regulator contains not only the power electronics, which consists of switching elements and the required passive components, but also a microcontroller, a programmable logic device or an application-specific integrated semiconductor device (ASIC), in addition to controlling the controller and the storage of a Operating parameter set also contains a user input interface. This can be realized via a communication bus (CAN, SMB, EtherCat ...) already available for the control and evaluation of the controller. Alternatively, this may be an input pin which evaluates a logic signal applied from the outside to the controller or a switch or pushbutton mounted on the controller. Likewise, in addition to the measuring devices required for a regulation for the input voltage, the output voltage and the output or coil current, the controller also has a measuring capability of the input current. The measurement does not necessarily have to ensure a high absolute accuracy, but a good repeatability. For example, the internal resistance of an input-side filter element can be used as a shunt resistor. In addition, a binary output is required, which can be implemented via a (possibly already existing) status LED, an acoustic signal generator or via a response on the communication bus.
Im Auslieferungszustand enthält der Regler dann für jeden Arbeitszeitpunkt einen initialen groben (Anfangs-)Parametersatz, welcher einmalig im Rahmen der Entwicklung des Reglers bestimmt wurde und der sicherstellt, dass der Wirkungsgrad in jedem Arbeitspunkt bereits in der Nähe des Optimums liegt und der Regler funktionsfähig ist.On delivery, the controller then contains an initial coarse (initial) parameter set for each working time, which was determined once as part of the development of the controller and ensures that the efficiency in each operating point is already close to the optimum and the controller is functional ,
Der Nutzer kann nun bei Bedarf den Regler für seinen Arbeitspunkt oder seine Arbeitspunkte optimieren, indem er das System im eingebauten Zustand und unter realistischen Betriebs- und Umgebungsbedingungen mit der typischen Eingangsspannung und der typischen (vorzugsweise konstanten) Last beaufschlagt und die Optimierung durch Versenden eines Kommandos über den Bus, durch Anlegen des Logikpegels oder einfach durch Drücken eines Knopfes startet. Die Steuereinheit beginnt nun durch langsame Variation der Betriebsparameter und Messung des Wirkungsgrades (oder besser einer mit dem Wirkungsgrad korrelierenden Größe) mittels Gradientenabstiegsverfahren die optimalen Parameter für den aktuell eingestellten Arbeitspunkt zu bestimmen und dann dem vorprogrammierten Parametersatz hinzuzufügen. Der Abschluss der Selbstoptimierung wird dann durch eine Leuchtdiode, ein akustisches Signal oder eine Antwort über den Bus angezeigt.The user can now optimize the controller for its operating point or operating points as required by applying the typical input voltage and the typical (preferably constant) load to the system when installed and under realistic operating and ambient conditions, and optimizing by sending a command via the bus, by applying the logic level or simply by pressing a button. The control unit now begins by slow variation of the operating parameters and measurement of the efficiency (or better a magnitude correlating with the efficiency) by Gradientenabstiegsverfahren to determine the optimal parameters for the currently set operating point and then add the preprogrammed parameter set. The completion of self-tuning is then indicated by a light emitting diode, an audible signal or a response via the bus.
Durch Wiederholen der Prozedur können mehrere benutzerdefinierte Arbeitspunkte dem Parametersatz beigefügt werden.By repeating the procedure, several user-defined operating points can be added to the parameter set.
Damit ist sichergestellt, dass für den späteren Betrieb Betriebsparameter verfügbar sind, welche den realen Betriebsbedingungen möglichst gut entsprechen.This ensures that operating parameters that match the real operating conditions as well as possible are available for later operation.
Da im Gegensatz zur Bestimmung des Optimums im ganzen Arbeitsraum, wie es bei der herstellerseitigen Optimierung notwendig ist, nur ein Arbeitspunkt oder wenige Arbeitspunkte angefahren werden, darf die Messzeit für die Optimierung eines Punktes nun deutlich länger ausfallen, was das Ergebnis, insbesondere bei wechselnden Lasten verbessert.Since, in contrast to the determination of the optimum in the entire work space, as is necessary in the manufacturer's optimization, only one operating point or a few operating points are approached, the measuring time for the optimization of a point may now be significantly longer, which is the result, especially with changing loads improved.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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