DE102022117139A1 - Method for operating a power converter - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers mit einer leistungselektronischen Schaltung beschrieben, die mindestens einen Halbleiterschalter umfasst, wobei mittels getakteter Ansteuerung des mindestens einen Halbleiterschalters ein einstellbares Übersetzungsverhältnis zwischen Spannungen und/oder Strömen an Anschlüssen auf einer ersten Seite der Schaltung und einer zweiten Seite der Schaltung erzeugt wird, wobei die Ansteuerung des mindestens einen Halbleiterschalters ein Ansteuersignal mit einer Taktfrequenz und einem einstellbaren Tastverhältnis umfasst, wobei das Tastverhältnis einen Wert in einem ersten Wertebereich oder in einem zweiten Wertebereich aufweist, wobei der erste Wertebereich zwei Extremwerte umfasst und sich zwischen einem Minimalwert größer null und einem Maximalwert kleiner eins erstreckt und der zweite Wertebereich die Werte null und/oder eins umfasst. Mittels einer Hilfsvariable mit einem dritten Wertebereich zwischen minus eins und eins wird ein Tastverhältnis zur Erzeugung der Ansteuersignale so verändert, dass ein Übergang von Tastverhältnissen mit Werten nahe null bzw. nahe eins auf Werte von null bzw. eins verbessert wird.Ein Leistungswandler mit einer Steuereinrichtung ist zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet.A method for operating a power converter with a power electronic circuit is described, which comprises at least one semiconductor switch, wherein by means of clocked control of the at least one semiconductor switch, an adjustable transmission ratio between voltages and / or currents at connections on a first side of the circuit and a second side of the Circuit is generated, wherein the control of the at least one semiconductor switch comprises a control signal with a clock frequency and an adjustable duty cycle, the duty cycle having a value in a first value range or in a second value range, the first value range comprising two extreme values and between a minimum value greater than zero and a maximum value less than one and the second value range includes the values zero and / or one. By means of an auxiliary variable with a third value range between minus one and one, a duty cycle for generating the control signals is changed in such a way that a transition from duty cycles with values close to zero or close to one to values of zero or one is improved. A power converter with a control device is set up to carry out the procedure.
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers mit einer leistungselektronischen Schaltung mit getaktet betriebenen Halbleiterschaltern.The invention relates to a method for operating a power converter with a power electronic circuit with clocked semiconductor switches.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Ein elektrischer Leistungswandler dient zur Umwandlung von elektrischer Leistung, wobei beispielsweise eine Gleichspannung in eine andere Gleichspannung oder ein Gleichstrom in einen Wechselstrom oder umgekehrt gewandelt wird. Dabei stellt ein Leistungswandler insbesondere ein Übersetzungsverhältnis zwischen Spannungen und/oder Strömen an den Anschlüssen des Leistungswandlers her. Beispielsweise kann ein DC/DC-Leistungswandler zwischen einer DC-Quelle, insbesondere einem PV-Generator oder einer Batterie, und einer Last angeordnet sein. Die Last kann dabei insbesondere durch einen Spannungszwischenkreis eines weiteren Leistungswandlers gebildet werden, beispielsweise eines Wechselrichters zum Austausch elektrischer Leistung zwischen der DC-Quelle und einem Wechselspannungsnetz. Alternativ kann ein Leistungswandler zwischen einem Energieversorgungsnetz und einer Last angeordnet sein, wobei die Last z.B. einen Elektrolyseur umfasst.An electrical power converter is used to convert electrical power, for example converting a direct voltage into another direct voltage or a direct current into an alternating current or vice versa. In this case, a power converter establishes in particular a transmission ratio between voltages and/or currents at the connections of the power converter. For example, a DC/DC power converter can be arranged between a DC source, in particular a PV generator or a battery, and a load. The load can in particular be formed by a voltage intermediate circuit of another power converter, for example an inverter for exchanging electrical power between the DC source and an AC voltage network. Alternatively, a power converter can be arranged between a power supply network and a load, the load comprising, for example, an electrolyzer.
Durch gezieltes Manipulieren des Übersetzungsverhältnisses des Leistungswandlers können sowohl die Spannungen als auch die Ströme an den Anschlüssen des Leistungswandlers eingestellt werden. In einem Leistungswandler mit einer leistungselektronischen Schaltung können dazu Halbleiterschalter getaktet betrieben werden, die mit weiteren Komponenten zusammenwirken, so dass die Schaltung beispielsweise als Hochsetzsteller, als Tiefsetzsteller oder als (bidirektionaler) Wechselrichter ausgeführt ist. Zur Einstellung eines gewünschten Übersetzungsverhältnisses wird dann ein geeignetes Taktmuster für die Ansteuerung der Leistungshalbleiter erzeugt, das von den Halbleiterschalter in konkrete Schalthandlungen umgesetzt wird, insbesondere indem der Halbleiterschalter mittels eines Ansteuersignals über eine geeignete Treiberschaltung ein- und ausgeschaltet wird.By specifically manipulating the transmission ratio of the power converter, both the voltages and the currents at the connections of the power converter can be adjusted. In a power converter with a power electronic circuit, semiconductor switches can be operated in a clocked manner, which interact with other components, so that the circuit is designed, for example, as a step-up converter, a step-down converter or as a (bidirectional) inverter. To set a desired transmission ratio, a suitable clock pattern for controlling the power semiconductors is then generated, which is converted into specific switching actions by the semiconductor switch, in particular by switching the semiconductor switch on and off using a control signal via a suitable driver circuit.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl an Verfahren zur Erzeugung von Taktmustern für Halbleiterschalter von Leistungswandlern bekannt. Einige der bekannten Verfahren verwenden eine Pulsweitenmodulation, die eine Einstellung des Tastverhältnisses zwischen einer Einschaltphase und einer Ausschaltphase innerhalb eines gegebenen Taktes umfasst, wobei das Tastverhältnis mittels einer Regelung moduliert wird, um das gewünschte Übersetzungsverhältnis zu erzielen.A large number of methods for generating clock patterns for semiconductor switches of power converters are known from the prior art. Some of the known methods use pulse width modulation, which involves adjusting the duty cycle between an on phase and an off phase within a given cycle, the duty cycle being modulated by means of a control to achieve the desired gear ratio.
Die Bandbreite der erzielbaren Übersetzungsverhältnisse des Leistungswandlers ist dabei in der Regel auf die erzielbaren Tastverhältnisse beschränkt. Die Halbleiterschalter können maximal für einen gesamten Takt eingeschaltet sein (Tastverhältnis gleich eins) oder minimal in einem Takt gar nicht eingeschaltet werden, d.h. den gesamten Takt ausgeschaltet sein (Tastverhältnis gleich null). Aufgrund einer endlichen Einschalt- und Ausschaltdauer der Halbleiterschalter sind keine beliebig kurzen Einschalt- bzw. Ausschaltphasen möglich, so dass die Tastverhältnisse aus elektrischen Gründen nicht beliebig nahe eins oder nahe null einstellbar sind und insbesondere kein kontinuierlicher Übergang von (erlaubten) Tastverhältnissen zwischen null und eins und einem Tastverhältnis von null bzw. eins möglich ist.The range of achievable transmission ratios of the power converter is generally limited to the achievable duty cycles. The semiconductor switches can be switched on for a maximum of one entire cycle (duty cycle equal to one) or at least not switched on at all in one cycle, i.e. switched off for the entire cycle (duty cycle equal to zero). Due to a finite switch-on and switch-off duration of the semiconductor switches, arbitrarily short switch-on and switch-off phases are not possible, so that the duty cycles cannot be set arbitrarily close to one or close to zero for electrical reasons and, in particular, there is no continuous transition of (permitted) duty cycles between zero and one and a duty cycle of zero or one is possible.
Dies kann dazu führen, dass auch das Übersetzungsverhältnis eines Leistungswandlers nicht ohne weiteres kontinuierlich zwischen den möglichen Extremwerten mit einem Tastverhältnis von null oder eins eingestellt werden kann. Insbesondere in der Nähe der Extremwerte müssten dafür Tastverhältnisse eingestellt werden, die von den Halbleiterschaltern nicht umgesetzt werden können. Wenn z.B. bei einem Ansteuersignal mit einem Tastverhältnis nahe null die gewünschte Einschaltphase eines Schalters im Wesentlichen seiner Einschaltdauer entspricht, würde der Schalter gemäß Ansteuersignal schon wieder ausgeschaltet, obwohl er noch gar nicht ganz eingeschaltet ist. Dies ist insbesondere kritisch beim Übergang von einem Übersetzungsverhältnis nahe eins zu einem Übersetzungsverhältnis gleich eins bzw. beim Übergang von nahe null zu null.This can mean that the transmission ratio of a power converter cannot easily be continuously adjusted between the possible extreme values with a duty cycle of zero or one. Particularly near the extreme values, duty cycles would have to be set that cannot be implemented by the semiconductor switches. If, for example, with a control signal with a duty cycle close to zero, the desired switch-on phase of a switch essentially corresponds to its switch-on duration, the switch would already be switched off again according to the control signal, even though it is not yet fully switched on. This is particularly critical when transitioning from a gear ratio close to one to a gear ratio equal to one or when transitioning from near zero to zero.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt, bei denen die endliche Einschalt- bzw. Ausschaltdauer berücksichtigt werden. Dabei können insbesondere im Rahmen einer Regelung korrigierte Tastverhältnisse erzeugt werden, die auch in der Nähe der Extremwerte das gewünschte Übersetzungsverhältnis ergeben. Auch solche Verfahren stoßen jedoch an Grenzen und sind mit Zusatzaufwand verbunden, z.B. indem eine Messung der Spannungen und/oder Ströme an den Anschlüssen des Leistungswandlers und eine Ausreglung des resultierenden Übersetzungsverhältnisses des Leistungswandlers notwendig ist. Aus der
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers mit einem Halbleiterschalter aufzuzeigen, mit dem ein Übergang von Tastgraden mit Werten nahe null bzw. nahe eins auf Werte von null bzw. eins verbessert wird.The invention is based on the object of demonstrating a method for operating a power converter with a semiconductor switch, with which a transition from duty cycles with values close to zero or close to one to values of zero or one is improved.
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Leistungswandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.The object is achieved by a method for operating a power converter with the features of
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers mit einer leistungselektronischen Schaltung, die mindestens einen Halbleiterschalter umfasst, wird mittels getakteter Ansteuerung des mindestens einen Halbleiterschalters ein einstellbares Übersetzungsverhältnis zwischen Spannungen und/oder Strömen an Anschlüssen auf einer ersten Seite der Schaltung und einer zweiten Seite der Schaltung erzeugt. Die Ansteuerung des mindestens einen Halbleiterschalters umfasst ein Ansteuersignal mit einer Taktfrequenz und einem einstellbaren Tastverhältnis, wobei das Tastverhältnis einen Wert in einem ersten Wertebereich oder in einem zweiten Wertebereich aufweist. Der erste Wertebereich umfasst zwei Extremwerte und erstreckt sich zwischen einem Minimalwert größer null und einem Maximalwert kleiner eins, und der zweite Wertebereich umfasst die Werte null und/oder eins, so dass das Ansteuersignal bei einem Tastverhältnis im ersten Wertebereich eine Einschaltphase und eine Ausschaltphase und bei einem Tastverhältnis im zweiten Wertebereich ausschließlich eine Einschaltphase oder ausschließlich eine Ausschaltphase aufweist. Das Tastverhältnis wird für jeden Takt in Abhängigkeit eines Soll-Tastgrades individuell eingestellt, wobei das eingestellte Tastverhältnis dem Soll-Tastgrad entspricht, wenn der Soll-Tastgrad einen Wert aufweist, der im ersten oder im zweiten Wertebereich liegt.In a method for operating a power converter with a power electronic circuit that includes at least one semiconductor switch, an adjustable transmission ratio between voltages and/or currents at connections on a first side of the circuit and a second side of the circuit is generated by means of clocked control of the at least one semiconductor switch . The control of the at least one semiconductor switch comprises a control signal with a clock frequency and an adjustable duty cycle, the duty cycle having a value in a first value range or in a second value range. The first value range includes two extreme values and extends between a minimum value greater than zero and a maximum value less than one, and the second value range includes the values zero and/or one, so that the control signal has a switch-on phase and a switch-off phase at a duty cycle in the first value range a duty cycle in the second value range has exclusively a switch-on phase or exclusively a switch-off phase. The duty cycle is set individually for each cycle depending on a target duty cycle, whereby the set duty cycle corresponds to the target duty cycle if the target duty cycle has a value that lies in the first or second value range.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfsvariable mit einem dritten Wertebereich zwischen minus eins und eins gebildet wird und der mindestens eine Halbleiterschalter im Falle eines Soll-Tastgrades, der einen Wert zwischen einem Wert des zweiten Wertebereichs dem daran angrenzenden Extremwert des ersten Wertebereichs aufweist, mit einem Ansteuersignal angesteuert wird, das in Abhängigkeit von der Hilfsvariablen entweder ein Tastverhältnis mit dem Extremwert des ersten Wertebereichs aufweist, der dem Soll-Tastgrad am nächsten liegt, oder ein Tastverhältnis mit dem Wert des zweiten Wertebereichs aufweist, der dem Soll-Tastgrad am nächsten liegt. Dabei wird für das Ansteuersignal das Tastverhältnis mit dem angrenzenden Extremwert des ersten Wertebereichs eingestellt, wenn die Hilfsvariable einen Wert größer null aufweist, oder es wird für das Ansteuersignal das Tastverhältnis mit dem angrenzenden Wert des zweiten Wertebereichs eingestellt wird, wenn die Hilfsvariable einen Wert kleiner oder gleich null aufweist. Die Hilfsvariable wird um eins erhöht, wenn sie einen Wert kleiner oder gleich null aufweist, und die Hilfsvariable wird in jedem Takt um einen Wert reduziert, der dem Quotienten aus der Differenz zwischen dem Soll-Tastgrad und dem daran angrenzendem Extremwert des ersten Wertebereichs sowie der Differenz zwischen dem an den Soll-Tastgrad angrenzenden Wert des zweiten Wertebereichs und dem daran angrenzenden Extremwert entspricht.The method according to the invention is characterized in that an auxiliary variable with a third value range between minus one and one is formed and the at least one semiconductor switch in the case of a target duty cycle which has a value between a value of the second value range and the adjacent extreme value of the first value range , is controlled with a control signal which, depending on the auxiliary variable, either has a duty cycle with the extreme value of the first value range, which is closest to the target duty cycle, or has a duty cycle with the value of the second value range, which is the target duty cycle next. The duty cycle for the control signal is set with the adjacent extreme value of the first value range if the auxiliary variable has a value greater than zero, or the duty cycle for the control signal is set with the adjacent value of the second value range if the auxiliary variable has a value smaller or equal to zero. The auxiliary variable is increased by one if it has a value less than or equal to zero, and the auxiliary variable is reduced in each cycle by a value which is the quotient of the difference between the target duty cycle and the adjacent extreme value of the first value range and the Difference between the value of the second value range adjacent to the target duty cycle and the extreme value adjacent to it.
Kerngedanke der Erfindung ist es, bei einem Soll-Tastgrad, der im Übergangsbereich zwischen einem Extremwert des ersten Wertebereichs und dem angrenzenden Wert des zweiten Wertebereichs liegt und somit aufgrund der endlichen Einschalt- bzw. Ausschaltphasen eines Halbleiterschalter nicht explizit als Tastverhältnis für einen Takt eingestellt werden kann, eine Abfolge von mehreren Takten mit Tastverhältnissen einzustellen, die entweder dem angrenzenden Extremwert des ersten Wertebereichs oder dem angrenzenden Wert des zweiten Wertebereichs entsprechen. Dadurch weicht das Tastverhältnis zwar für jeden Takt einzeln betrachtet vom Soll-Tastgrad ab, jedoch können die Tastverhältnisse unter Berücksichtigung der Hilfsvariablen so über die Abfolge kombiniert werden, dass im Mittel über mehrere Takte gesehen ein effektiver Tastgrad resultiert, der zwischen dem jeweiligen Extremwert des ersten Wertebereichs und dem angrenzenden Wert des zweiten Wertebereichs liegt und den Soll-Tastgrad annähert.The core idea of the invention is to have a target duty cycle that lies in the transition range between an extreme value of the first value range and the adjacent value of the second value range and therefore cannot be explicitly set as a duty cycle for a cycle due to the finite switch-on or switch-off phases of a semiconductor switch can set a sequence of several cycles with duty cycles that correspond to either the adjacent extreme value of the first value range or the adjacent value of the second value range. As a result, the duty cycle deviates from the target duty cycle for each cycle individually, but the duty cycles can be combined over the sequence, taking into account the auxiliary variables, so that, on average over several cycles, an effective duty cycle results that is between the respective extreme value of the first Value range and the adjacent value of the second value range and approximates the target duty cycle.
Das Verfahren ist im Unterschied zum Stand der Technik unabhängig von externen Größen, insbesondere unabhängig von Ist- oder Sollspannungen an den Anschlüssen des Leistungswandlers. Insofern ist die Bestimmung der zu verwendenden Tastverhältnisse unabhängig von Messwerten aus dem Leistungswandler und ermöglicht einen (temporär) gesteuerten Betrieb anhand des anderweitig vorgegebenen Soll-Tastgrades. Mithilfe des Verfahrens werden insbesondere bei einer dynamischen Änderung des Soll-Tastgrades von einem Wert im ersten Wertebereich zu einem Wert des zweiten Wertebereichs etwaige Ausgleichsströme und die Belastung von Komponenten des Leistungswandlers verringert, sowie insbesondere bei einem Soll-Tastgrad, der längere Zeit im Übergangsbereich zwischen einem Extremwert des ersten Wertebereichs und dem angrenzenden Wert des zweiten Wertebereichs liegt, die Regler- und Systemstabilität verbessert.In contrast to the prior art, the method is independent of external variables, in particular independent of actual or target voltages at the connections of the power converter. In this respect, the determination of the duty cycle to be used is independent of measured values from the power converter and enables (temporarily) controlled operation based on the otherwise specified target duty cycle. With the help of the method, any compensating currents and the load on components of the power converter are reduced, particularly in the case of a dynamic change in the target duty cycle from a value in the first value range to a value in the second value range, and in particular in the case of a target duty cycle that is in the transition range for a long time between an ext rem value of the first value range and the adjacent value of the second value range, the controller and system stability is improved.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird für das Ansteuersignal im Falle eines Soll-Tastgrades, der einen Wert zwischen dem Maximalwert des ersten Wertebereichs und eins aufweist, das Tastverhältnis mit dem Maximalwert des ersten Wertebereichs eingestellt, wenn die Hilfsvariable einen Wert größer null aufweist, und das Tastverhältnis von eins eingestellt, wenn die Hilfsvariable einen Wert kleiner oder gleich null aufweist. In dieser Ausführungsform kann der Minimalwert des ersten Wertebereichs weitgehend irrelevant sein und einen Wert nahe oder gleich null aufweisen, insbesondere wenn der Leistungswandler prinzipbedingt nicht mit einem Taktverhältnis nahe oder gleich null betrieben wird und insofern der Minimalwert des ersten Wertebereichs im Betrieb nicht unterschritten wird; dies ist beispielsweise bei einem Tiefsetzsteller der Fall.In one embodiment of the method, in the case of a target duty cycle that has a value between the maximum value of the first value range and one, the duty cycle is set for the control signal with the maximum value of the first value range if the auxiliary variable has a value greater than zero, and that Duty cycle set to one if the auxiliary variable has a value less than or equal to zero. In this embodiment, the minimum value of the first value range can be largely irrelevant and have a value close to or equal to zero, in particular if the power converter is not operated with a duty cycle close to or equal to zero due to its principle and in this respect the minimum value of the first value range is not undercut during operation; This is the case, for example, with a step-down converter.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird für das Ansteuersignal im Falle eines Soll-Tastgrades, der einen Wert zwischen null und dem Minimalwert des ersten Wertebereichs aufweist, das Tastverhältnis mit dem Minimalwert des ersten Wertebereichs eingestellt, wenn die Hilfsvariable einen Wert größer null aufweist, und das Tastverhältnis von null eingestellt, wenn die Hilfsvariable einen Wert kleiner oder gleich null aufweist. In dieser Ausführungsform kann der Maximalwert des ersten Wertebereichs weitgehend irrelevant sein und einen Wert nahe oder gleich eins aufweisen, insbesondere wenn der Leistungswandler prinzipbedingt nicht mit einem Taktverhältnis nahe oder gleich eins betrieben wird und insofern der Maximalwert des ersten Wertebereichs im Betrieb nicht überschritten wird; dies ist beispielsweise bei einem Hochsetzsteller der Fall.In one embodiment of the method, in the case of a target duty cycle that has a value between zero and the minimum value of the first value range, the duty cycle is set for the control signal with the minimum value of the first value range if the auxiliary variable has a value greater than zero, and that Duty cycle set to zero if the auxiliary variable has a value less than or equal to zero. In this embodiment, the maximum value of the first value range can be largely irrelevant and have a value close to or equal to one, in particular if the power converter is not operated with a clock ratio close to or equal to one due to its principle and in this respect the maximum value of the first value range is not exceeded during operation; This is the case, for example, with a boost converter.
Das Verfahren kann in verschiedenen Ausführungsformen auf Leistungswandler angewendet werden, die als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller ausgeführt sind. Derartige Gleichspannungswandler werden in der Regel mit Tastverhältnissen betrieben, die im ersten Wertebereich liegen und nur einen der Werte des zweiten Wertebereichs erreichen. Dadurch kann das Verfahren einfach und effizient implementiert werden. Zudem können im Betrieb von Gleichspannungswandlern, beispielsweise Batteriewandlern, über längere Zeiträume, d.h. über eine große Anzahl an Takten, Übersetzungsverhältnisse gefordert sein, die ein Tastverhältnis mit einem Wert zwischen dem ersten und zweiten Wertebereich erfordern. In einer solchen Situation ist das Verfahren besonders vorteilhaft einsetzbar, da die damit erzeugten gemittelten Ist-Tastgrade eine gute Näherung des Soll-Tastgrades erlauben.The method can be applied in various embodiments to power converters that are designed as buck converters or boost converters. Such DC-DC converters are generally operated with duty cycles that lie in the first range of values and only reach one of the values of the second range of values. This allows the process to be implemented easily and efficiently. In addition, in the operation of DC-DC converters, for example battery converters, over longer periods of time, i.e. over a large number of cycles, gear ratios may be required that require a duty cycle with a value between the first and second value ranges. In such a situation, the method can be used particularly advantageously, since the averaged actual duty cycle generated with it allows a good approximation of the target duty cycle.
Darüber hinaus kann der Leistungswandler als Wechselrichter ausgeführt sein. Aufgrund des sinusförmigen Verlaufs des Übersetzungsverhältnisses eines Wechselrichters können die Tastverhältnisse in einem Wechselrichter im Zweifel in jeder Periode den ersten Wertebereich durchlaufen und einen oder beide Werte des zweiten Wertbereichs erreichen. In einer solchen Situation ist das Verfahren besonders vorteilhaft einsetzbar, da der aktuelle periodische Soll-Tastgrad in jedem Takt bei der Berechnung des Tastverhältnisses verwendet wird, so dass die dynamische Änderung des Soll-Tastgrades angemessen berücksichtigt wird.In addition, the power converter can be designed as an inverter. Due to the sinusoidal curve of the transmission ratio of an inverter, the duty cycles in an inverter can, in case of doubt, pass through the first value range in each period and reach one or both values of the second value range. In such a situation, the method can be used particularly advantageously, since the current periodic target duty cycle is used in each cycle when calculating the duty cycle, so that the dynamic change in the target duty cycle is appropriately taken into account.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des anmeldungsgemäßen Verfahrens, -
2a zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf von Tastverhältnissen bei Anwendung des anmeldungsgemäßen Verfahrens, -
2b zeigt ein weiteres Beispiel eines zeitlichen Verlaufs von Tastverhältnissen bei Anwendung des anmeldungsgemäßen Verfahrens, -
3a zeigt einen parametrisierten Verlauf des Tastgrades bei Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens aus dem Stand der Technik, -
3b zeigt einen parametrisierten Verlauf des Tastgrades bei Verwendung eines anmeldungsgemäßen Verfahrens, -
4a zeigt beispielhaft zeitliche Verläufe von Soll- und Ist-Tastgrad bei Anwendung des anmeldungsgemäßen Verfahrens, -
4b zeigt ein weiteres Beispiel von zeitlichen Verläufen von Soll- und Ist-Tastgrad bei Anwendung des anmeldungsgemäßen Verfahrens,
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1 shows a flowchart of an embodiment of the method according to the application, -
2a shows an example of a time course of duty cycles when using the method according to the application, -
2 B shows a further example of a time course of duty cycles when using the method according to the application, -
3a shows a parameterized course of the duty cycle when using a conventional method from the prior art, -
3b shows a parameterized course of the duty cycle when using a method according to the application, -
4a shows an example of the time course of the target and actual duty cycle when using the method according to the application, -
4b shows a further example of time curves of the target and actual duty cycle when using the method according to the application,
FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION
In S0 startet das Verfahren mit dem Empfang eines Soll-Tastgrades für die Taktung des Halbleiterschalters, der insbesondere in Abhängigkeit von einem gewünschten Übersetzungsverhältnis von einer übergeordneten Regelung des Leistungswandlers zur Verfügung gestellt werden kann.In S0, the method starts with the receipt of a target duty cycle for the clocking of the semiconductor switch, which can be provided by a higher-level control of the power converter, in particular depending on a desired transmission ratio.
In S1 wird geprüft, ob der Soll-Tastgrad in einem erlaubten Wertebereich liegt, wobei der erlaubte Wertebereich solche Tastverhältnisse umfasst, die von dem Halbleiterschalter des Leistungswandlers tatsächlich eingestellt werden können. Der erlaubte Wertebereich umfasst dabei einen ersten Wertebereich mit Tastverhältnissen, die eine Einschaltphase und eine Ausschaltphase des Halbleiterschalters umfassen, sowie einen zweiten Wertebereich, der nur eine Einschaltphase bzw. nur eine Ausschaltphase umfasst, also Tastverhältnisse von eins bzw. null darstellt. Der erste Wertebereich ist begrenzt durch zwei Extremwerte, bei denen die Einschaltphase bzw. die Ausschaltphase die kleinstmögliche einstellbare Zeitdauer aufweisen. Konkret kann der Minimalwert des ersten Wertebereich beispielsweise den Wert 0,03 aufweisen, d.h. einen Takt mit einer sehr kurzen Einschaltphase darstellen, während der Maximalwert des ersten Wertebereichs beispielsweise den Wert 0,97 aufweisen kann, d.h. einen Takt mit einer sehr kurzen Ausschaltphase darstellt.In S1 it is checked whether the target duty cycle is in a permitted value range, the permitted value range including those duty cycles that can actually be set by the semiconductor switch of the power converter. The permitted range of values includes a first range of values with duty cycles that include a switch-on phase and a switch-off phase of the semiconductor switch, as well as a second range of values that only includes a switch-on phase or only a switch-off phase, i.e. represents duty cycles of one or zero. The first range of values is limited by two extreme values at which the switch-on phase and the switch-off phase have the shortest possible adjustable time period. Specifically, the minimum value of the first value range can, for example, have the value 0.03, ie represent a clock with a very short switch-on phase, while the maximum value of the first value range can, for example, have the value 0.97, ie represent a clock with a very short switch-off phase.
Ein Soll-Tastgrad im ersten Wertebereich kann direkt umgesetzt werden, indem der Halbleiterschalter im Laufe eines Taktes ein- und ausgeschaltet wird, so dass das Tastverhältnis dem Soll-Tastgrad entspricht. Ein Soll-Tastgrad im zweiten Wertebereich kann ebenfalls direkt umgesetzt werden, indem der Halbleiterschalter für die gesamte Dauer des betreffenden Taktes ein- bzw. ausgeschaltet ist. Sofern der Soll-Tastgrad im ersten oder im zweiten Wertebereich liegt, kann der Halbleiterschalter mit einem Ansteuersignal angesteuert werden, das ein Tastverhältnis aufweist, welches im Wesentlichen dem Soll-Tastgrad entsprichtA target duty cycle in the first value range can be implemented directly by switching the semiconductor switch on and off in the course of a cycle so that the duty cycle corresponds to the target duty cycle. A target duty cycle in the second value range can also be implemented directly by switching the semiconductor switch on or off for the entire duration of the relevant cycle. If the target duty cycle is in the first or second value range, the semiconductor switch can be controlled with a control signal that has a duty cycle that essentially corresponds to the target duty cycle
Wenn in S1 festgestellt wird, dass der Soll-Tastgrad in diesem erlaubten Wertebereich liegt, verzweigt das Verfahren zum Schritt S5. In S5 wird ein Tastverhältnis für den aktuellen Takt ausgegeben, das im folgenden Schritt S6 im Rahmen einer nachfolgenden Steuerung oder Regelung in ein Ansteuersignal für den betreffenden Halbleiterschalter des Leistungswandlers umgesetzt wird.If it is determined in S1 that the target duty cycle is within this permitted value range, the method branches to step S5. In S5, a duty cycle for the current clock is output, which is converted into a control signal for the relevant semiconductor switch of the power converter in the following step S6 as part of a subsequent control or regulation.
Wenn in S1 festgestellt wird, dass der Soll-Tastgrad außerhalb des erlaubten Wertebereichs liegt, d.h. einen Wert zwischen dem ersten Wertebereich und dem zweiten Wertebereich aufweist, verzweigt das Verfahren zu S2. Es versteht sich dabei, dass zwei Bereiche außerhalb des erlaubten Wertebereichs existieren, nämlich zwischen null und dem Minimalwert des ersten Wertebereichs einerseits sowie zwischen dem Maximalwert des ersten Wertebereichs und eins andererseits.If it is determined in S1 that the target duty cycle is outside the permitted value range, i.e. has a value between the first value range and the second value range, the method branches to S2. It is understood that there are two ranges outside the permitted range of values, namely between zero and the minimum value of the first range of values on the one hand and between the maximum value of the first range of values and one on the other hand.
In S2 wird geprüft, welchen Wert eine Hilfsvariable aufweist. Die Hilfsvariable kann einen Wert in einem dritten Wertebereich zwischen minus eins und eins aufweisen und im Vorfeld des Verfahrens grundsätzlich auf einen beliebigen Wert innerhalb des dritten Wertebereichs initialisiert worden sein.S2 checks what value an auxiliary variable has. The auxiliary variable can have a value in a third value range between minus one and one and can basically have been initialized to any value within the third value range in advance of the method.
Wenn die Hilfsvariable in diesem Takt einen Wert größer null aufweist, verzweigt das Verfahren zum Schritt S3a. In S3a wird für den aktuellen Takt ein Tastverhältnis für das Ansteuersignal festgelegt, das dem angrenzenden Extremwert des ersten Wertebereichs entspricht und in S5 für den aktuellen Takt ausgegeben wird. Konkret wird dabei entweder der Minimalwert des ersten Wertebereichs verwendet, wenn der Soll-Tastgrad zwischen null und dem Minimalwert des ersten Wertebereiches liegt, oder der Maximalwert des ersten Wertebereichs verwendet, wenn der Soll-Tastgrad zwischen dem Maximalwert des ersten Wertebereichs und eins liegt.If the auxiliary variable has a value greater than zero in this cycle, the method branches to step S3a. In S3a, a duty cycle for the control signal is defined for the current clock, which corresponds to the adjacent extreme value of the first value range and is output in S5 for the current clock. Specifically, either the minimum value of the first value range is used if the target duty cycle is between zero and the minimum value of the first value range, or the maximum value of the first value range is used if the target duty cycle is between the maximum value of the first value range and one.
Wenn die Hilfsvariable einen Wert kleiner oder gleich null aufweist, wird in S3b für den aktuellen Takt ein Tastverhältnis für das Ansteuersignal festgelegt, das dem angrenzenden Wert des zweiten Wertebereichs entspricht und in S5 für den aktuellen Takt ausgegeben wird. Konkret wird dabei entweder der Wert null verwendet, wenn der Soll-Tastgrad zwischen null und dem Minimalwert des ersten Wertebereiches liegt, oder der Wert eins verwendet, wenn der Soll-Tastgrad zwischen dem Maximalwert des ersten Wertebereichs und eins liegt. Anschließend wird die Hilfsvariable in S3 um eins erhöht, so dass die Hilfsvariable aus dem negativen in den positiven Bereich angehoben wird.If the auxiliary variable has a value less than or equal to zero, a duty cycle for the control signal is defined in S3b for the current clock, which corresponds to the adjacent value of the second value range and is output in S5 for the current clock. Specifically, either the value zero is used if the target duty cycle is between zero and the minimum value of the first value range, or the value one is used if the target duty cycle is between the maximum value of the first value range and one. The auxiliary variable in S3 is then increased by one, so that the auxiliary variable is raised from the negative to the positive range.
Anschließend wird in S4 in jedem Fall, d.h. sowohl anschließend an S3a als auch an S3c, die Hilfsvariable um einen Wert reduziert, der dem Quotienten aus der Differenz zwischen Soll-Tastgrad und angrenzendem Extremwert sowie der Differenz zwischen angrenzendem Wert des zweiten Wertebereichs und angrenzendem Extremwert entspricht. Dabei entspricht der Nenner dieses Quotienten der Differenz zwischen null und dem Minimalwert des ersten Wertebereichs (d.h. der Nenner ist der Minimalwert des ersten Wertebereichs) bzw. zwischen dem Maximalwert des ersten Werteberichs und eins. Da die Extremwerte des ersten Wertebereichs im Wesentlichen das Schaltvermögen des Halbleiterschalters widerspiegeln, kann der Nenner dieses Quotienten im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels fest vorgegeben sein, grundsätzlich jedoch auch dynamisch eingestellt werden. Der Zähler des Quotienten hängt hingegen von der Lage des Soll-Tastgrades relativ zu den Extremwerten des ersten Wertebereiches ab und ist umso größer, je größer die Abweichung des Soll-Tastgrads von dem angrenzenden Extremwert des ersten Wertebereichs ist bzw. je näher der Soll-Tastgrad an dem angrenzenden Wert des zweiten Wertebereiches liegt.Subsequently, in S4, in each case, i.e. both after S3a and S3c, the auxiliary variable is reduced by a value that is the quotient of the difference between the target duty cycle and the adjacent extreme value and the difference between the adjacent value of the second value range and the adjacent extreme value corresponds. The denominator of this quotient corresponds to the difference between zero and the minimum value of the first value range (i.e. the denominator is the minimum value of the first value range) or between the maximum value of the first value range and one. Since the extreme values of the first value range essentially reflect the switching capacity of the semiconductor switch, the denominator of this quotient can be fixed in the context of this exemplary embodiment, but in principle can also be set dynamically. The numerator of the quotient, on the other hand, depends on the position of the target duty cycle relative to the extreme values of the first value range and is greater the greater the deviation of the target duty cycle from the adjacent extreme value of the first value range or the closer the target duty cycle is is at the adjacent value of the second value range.
In S5 wird das Tastverhältnis für den aktuellen Takt, das entweder dem Soll-Tastgrad entspricht oder in S3a bzw. S3b abweichend zum Soll-Tastgrad festgelegt wurde, an eine nachfolgende Steuerung oder Regelung ausgegeben und in S6 in ein Ansteuersignal für den betreffenden Halbleiterschalter des Leistungswandlers umgesetzt, mit dem dieserHalbleiterschalter im Folgenden angesteuert wird. Anschließend verzweigt das Verfahren zurück zu S0, um das einzustellende Tastverhältnis für den nächsten Takt unter Berücksichtigung der in S4 und ggf. in S3c geänderten Hilfsvariablen und des ggf. zwischenzeitlich extern geänderten Soll-Tastgrades zu bestimmen. Für den folgenden Takt wird der Ablauf gemäß
Die folgenden Formeln drücken den oben beschriebenen Ablauf mathematisch aus, wobei dcin der Soll-Tastgrad, dcmax und dcmax die Extremwerte des ersten Wertebereichs, skipn die Hilfsvariable des aktuellen Taktes, dcout das resultierende Tastverhältnis des Ansteuersignals und skipn+1 die Hilfsvariable des Folgetaktes ist.
Das resultierende Tastverhältnis dcout entspricht dem Soll-Tastgrad dcin, wenn der Soll-Tastgrad dcin im ersten Wertebereich zwischen dcmin und dcmax liegt; in diesem Fall bleibt die Hilfsvariable skipn+1 unverändert. Dies gilt auch für den trivialen Fall, dass der Soll-Tastgrad dcin bei null oder eins liegt und insofern vom Halbleiterschalter direkt umgesetzt werden kann.The resulting duty cycle dc out corresponds to the target duty cycle dc in if the target duty cycle dc in is in the first value range between dc min and dc max ; in this case the auxiliary variable skip n+1 remains unchanged. This also applies to the trivial case where the target duty cycle dc in is zero or one and can therefore be implemented directly by the semiconductor switch.
Das resultierende Tastverhältnis dcout entspricht dem angrenzenden Extremwert dcmin bzw. dcmαx oder dem angrenzenden Wert des zweiten Wertebereichs (null bzw. eins), wenn der Soll-Tastgrad dcout außerhalb des ersten Wertebereichs und des zweiten Wertebereichs liegt und insofern vom Halbleiterschalter gerade nicht direkt umgesetzt werden kann. In Abhängigkeit vom aktuellen Wert der Hilfsvariablen skipn wird entschieden, ob für den jeweiligen Takt n das Tastverhältnis dcmin oder null bzw. dcmax oder eins resultiert, und ob die Hilfsvariable skipn+1 für den Folgetakt lediglich um den Quotienten
Es versteht sich, dass das Verfahren auch Ausführungsformen umfasst, bei denen die Soll-Tastgrade grundsätzlich lediglich im ersten Wertebereich und zwischen einem der Werte des zweiten Wertebereichs liegen, jedoch niemals zwischen dem ersten Wertebereich und dem anderen der Werte des zweiten Wertebereichs liegen können oder werden. Dies kann beispielsweise bei einem Leistungswandler eintreten, der als Hochsetzsteller ausgeführt ist und in der Regel mit Soll-Tastgraden zwischen null und einem Wert (deutlich) kleiner eins, jedoch eher nicht mit einem Soll-Tastgrad nahe oder gleich eins betrieben wird, oder bei einem Leistungswandler, der als Tiefsetzsteller ausgeführt ist und in der Regel mit Soll-Tastgraden zwischen eins und einem Wert (deutlich) größer null, jedoch eher nicht mit einem Soll-Tastgrad nahe oder gleich null betrieben wird. In diesen Fällen kann das Verfahren darauf reduziert werden, dass es lediglich im Übergangsbereich zwischen dem relevanten Wert des zweiten Wertebereichs und dem ersten Wertebereich angewandt wird, während der irrelevante Wert des zweiten Wertebereichs nicht vorkommt und der daran angrenzende Extremwert des ersten Wertebereich voraussichtlich nicht oder nur in Ausnahmefällen überschritten wird. Dies vereinfacht das Verfahren insofern, als die oben angegebenen Formeln dann nur einen der Werte dcmax oder dcmin verwenden müssen.It is understood that the method also includes embodiments in which the target duty cycles basically only lie in the first value range and between one of the values of the second value range, but can or will never lie between the first value range and the other of the values of the second value range . This can occur, for example, with a power converter that is designed as a step-up converter and is usually operated with target duty cycles between zero and a value (significantly) less than one, but rather not with a target duty cycle close to or equal to one, or with a Power converter, which is designed as a step-down converter and is usually operated with target duty cycles between one and a value (significantly) greater than zero, but rather not with a target duty cycle close to or equal to zero. In these cases, the method can be reduced to the fact that it is only applied in the transition area between the relevant value of the second value range and the first value range, while the irrelevant value of the second value range does not occur and the adjacent extreme value of the first value range probably does not occur or only is exceeded in exceptional cases. This simplifies the procedure in that the formulas given above then only need to use one of the values dc max or dc min .
In der unteren Graphik von
In der unteren Graphik von
Das anmeldungsgemäße Verfahren bewirkt somit insbesondere bei Soll-Tastgraden oberhalb von 0,97, dass keine Abweichung zwischen Soll-Tastgrad und (gemitteltem) Ist-Tastgrad auftritt, so dass der Ist-Tastgrad dem gewünschten Soll-Tastgrad entspricht. Im Falle einer dynamischen Variation des Soll-Tastgrades, beispielsweise im Rahmen einer Regelung der Eingangsspannung eines DC/DC-Wandlers, erfolgt somit ein Übergang des Soll-Tastgrades von <0,97 auf >0,97 ohne einen Sprung im Ist-Tastgrad. Insbesondere im Falle einer monotonen Steigung des Soll-Tastgrades von einem Wert <0,97 auf einen Wert von 1 resultiert daraus ein ebenfalls monoton steigender und insbesondere zum Soll-Tastgrad proportionaler Verlauf des (gemittelten) Ist-Tastgrades.The method according to the application therefore ensures, particularly with target duty cycles above 0.97, that no deviation occurs between the target duty cycle and the (averaged) actual duty cycle, so that the actual duty cycle corresponds to the desired target duty cycle. In the case of a dynamic variation of the target duty cycle, for example as part of a regulation of the input voltage of a DC/DC converter, a transition of the target duty cycle from <0.97 to >0.97 takes place without a jump in the actual duty cycle. In particular, in the case of a monotonic increase in the target duty cycle from a value <0.97 to a value of 1, this results in a likewise monotonically increasing course of the (averaged) actual duty cycle that is in particular proportional to the target duty cycle.
Es versteht sich, dass die
Darüber hinaus ist selbstverständlich, dass die Tastverhältnisse mathematisch äquivalent als „active high“ oder als „active low“ definiert werden können, wobei „active high“ bedeutet, dass der Wert 1 den eingeschalteten Zustand repräsentiert, während „active low“ bedeutet, dass der Wert 0 den eingeschalteten Zustand repräsentiert. Daraus ergibt sich, dass die anmeldungsgemäße Beschreibung aus mathematischer Sicht spiegelsymmetrisch formuliert werden kann, so dass die Werte 1 und 0 im Wesentlichen gegeneinander ausgetauscht sind, ohne dass sich die offenbarte technische Lehre dadurch ändert.Furthermore, it goes without saying that the duty cycles can be mathematically equivalently defined as "active high" or as "active low", where "active high" means that the
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