WO2016206934A1 - Kalibrierbarer mehrphasen-gleichstromwandler - Google Patents

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WO2016206934A1
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Thomas Schmitz
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Hella Kgaa Hueck & Co.
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Definitions

  • the present invention relates to a polyphase DC-DC converter
  • Converter module a DC-DC converter, a
  • Output current of the converter module is measurable and a
  • Multi-phase DC-DC converters of this type are known, for example, from motor vehicle electrical systems. They are used to convert DC-DC converters of this type to DC-DC converters.
  • Multiphase track voltage transformers are also used as power supplies to electrical loads having a constant current rating
  • the DC-DC converters of the converter modules they are also called DC-DC converters, English DC-DC converter, denote electrical circuits, the one at the input supplied
  • DC voltage converts to a DC voltage with higher, lower or inverted voltage level.
  • the conversion takes place in each DC-DC converter using a periodic
  • inductive converter consists of a coil or a transformer transformer.
  • the current regulation of the multiphase DC-DC converter can be done in such a way that the output currents of the individual converter modules are detected by the current sensors of the converter modules.
  • the values detected by the current sensors are called by a
  • the regulation of the polyphase DC-DC converter can be done in different ways.
  • the current sensors have shunt resistors.
  • the voltage dropping across the shunt resistors is e.g. from
  • Operational amplifiers come to different behaviors, especially due to different offset voltages and gain factors. These errors must be compensated.
  • One Concept provides that the multiphase DC-DC converter is calibrated so that the total error resulting from the errors of the operational amplifiers can be compensated. This achieves a reduction of the total error.
  • Multiphase DC-DC converters are used in particular where in a network or subnetwork with constant
  • the strongly fluctuating load results in strongly fluctuating direct currents at a constant nominal voltage.
  • Multi-phase DC-DC converter so in an operating case in which not all converter modules are turned on, to a
  • the present invention is based on the problem, the above-described multi-phase DC-DC converter so to improve that there is no mal-compensation in Teiilast memori.
  • Multi-phase DC-DC converter having a memory or a plurality of memories, wherein in the memory or in the memories, the records of calibration data of each of the current sensors are stored.
  • a multiphase DC-DC converter according to the invention can be realized, for example, by providing a memory and storing a data record in this one memory for each current sensor. Then each current sensor can be connected to the memory and from each current sensor can be for him in the
  • Memory can be retrieved.
  • each current sensor can be connected to the memory in which the record for this
  • each current sensor is assigned a processing unit in which a value measured by the current sensor is dependent on the calibration data or the calibration date of the sensor
  • Each current sensor may be integrated with the associated memory and associated processing means. Likewise, each of the current sensors associated memory with the current sensor associated with this processing means forms a unit.
  • the value adapted by the processing means can be tapped off at the output of the processing means or the unit comprising the processing means.
  • inventive multi-phase DC-DC converter for each converter module has a processing unit.
  • Processing units can be connected to the single memory of this multiphase DC-DC converter according to the invention
  • the processing units Through each of the processing units, the data set stored in memory for the current sensor of the associated converter module can be retrieved from the memory. With the processing units, the current signals provided by the current sensors of the converter modules can be adjusted as a function of the calibration data or the calibration date of the data set.
  • An offset voltage value and / or a gain factor of the assigned current sensor may be counted for a data record stored in the memory (s).
  • Fig. 1 shows an arrangement for detecting a total current of a polyphase DC-DC converter according to the invention.
  • the arrangement shown schematically in FIG. 1 has a hardware part HW and a software part SW, wherein the part realized by the software can also be realized by a corresponding hardware.
  • the software part is a program or
  • the arrangement comprises the hardware for detecting the
  • Multi-phase DC converter has six converter modules.
  • Each of the six converter modules is associated with a current sensor 11 to 16, which measures the output current of the converter module to which it is assigned. This measured current signal is provided at an output of each current sensor 11-16.
  • the output of each current sensor 11 to 16 is connected to an input of a
  • AD converter the current signals are digitized and one each, by a
  • Program part implemented unit 21 to 26 supplied. These units comprise processing units and memory variables in which calibration data are stored, namely an offset voltage and an amplification factor of the current sensor 11 to 16 whose current signal is supplied digitized to the unit 3.
  • calibration data namely an offset voltage and an amplification factor of the current sensor 11 to 16 whose current signal is supplied digitized to the unit 3.
  • Processing unit then takes place by means of the stored
  • the error-compensated current signal is then supplied to an adder 3, in which the current values of the output currents of the converter modules indicated by the compensated current signal are added.
  • the summation current signal can then be further processed inside or outside the microcontroller, for

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mehrphasen-Gleichspannungswandler mit einem Ausgang mit wenigstens zwei Wandlermodulen, wobei jedes Wandlermodul einen Gleichspannungswandler, einen Stromsensor (11 bis 16) und einen Ausgang umfasst, wobei mit dem Stromsensor (11 bis 16) in dem Wandlermodul ein Ausgangsstrom des Wandlermoduls messbar ist und ein Stromsignal des Stromsensors (11 bis 16) an einem Sensorausgang des Wandlermoduls abgreifbar ist, mit wenigsten einem Additionsglied (3) mit wenigstens einem Eingang pro Wandlermodul und einem Ausgang, wobei jeder Eingang des Additionsglieds (3) mit dem Sensorausgang eines der Wandlermodule verbunden ist und wobei mit dem Additionsglied (3) aus den an den Eingängen anliegenden Stromsignalen ein Summenstromsignal erzeugbar ist, wobei der Mehrphasen-Gleichspannungswandler einen Speicher oder mehrere Speicher aufweist, wobei in dem Speicher oder in den Speichern die Datensätze von Kalibrierungsdaten jedes der Stromsensoren (11 bis 16) abgelegt sind.

Description

Kalibierbarer Mehrphasen-Gleichstrom wand ler
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrphasen- Gleichspannungswandler
- mit einem Ausgang ,
- mit wenigstens zwei Wandlermod ulen , wobei jedes
Wandlermodul einen Gleichspannungswandler, einen
Stromsensor und einen Ausgang umfasst,
- wobei mit dem Stromsensor in dem Wand lermodul ein
Ausgangstrom des Wandlermoduls messbar ist und ein
Stromsignal des Stromsensors an einem Sensorausgang des Wandlermod uls abgreifbar ist, und
- mit wenigsten einem Additionsglied mit wenigstens einem
Eingang pro Wandlermodul und einem Ausgang , wobei jeder Eingang des Additionsglieds mit dem Sensorausgang eines der Wandlermodu le verbunden ist und wobei mit dem Additionsglied aus den an den Eingängen anliegenden Stromsignalen ein Summenstromsig nal erzeugbar ist.
Mehrphasen-Gleichspannungswandler dieser Art sind zum Beispiel aus Kraftfahrzeugbordnetzen bekannt. Sie werden benutzt, um
Teilnetze eines Kraftfahrzeugbordnetzes, die unterschiedliche
Nennspannungen haben , miteinander zu koppeln und die Span nungen in den Teilnetzen zu stabilisieren. Mehrphasen- Gleisspannungswandler werden auch als Energieversorg ungen von elektrischen Verbrauchern verwendet, die mit einer konstanten
Spannung oder einem Strom versorgt werden müssen. Die Gleichspannungswandler der Wandlermodule, sie werden auch DC-DC-Wandler genannt, englisch DC-DC Converter, bezeichnen elektrische Schaltungen, d ie eine am Eingang zugeführte
Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Die Umsetzu ng erfolgt in jedem Gleichspannungswandler mithilfe eines periodisch
arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer
Energiespeicher.
Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzte Induktivität
(induktiver Wandler) besteht aus einer Spule oder einem Wandler- Transformator.
Die Stromregelung des Mehrphasen-Gleichstromwandlers kann in der Art erfolgen , dass die Ausgangsströme der einzelnen Wandlermodule durch die Stromsensoren der Wandlermodule erfasst werden . Die von den Stromsensoren erfassten Werte werden von einem als
Additionsglied bezeichneten Hardwarebauteil oder Softwaremod ul addiert und für die Regelung des Stroms durch den Mehrphasen- Gleichstromwandler bereitgestellt. Die Regelung des Mehrphasen- Gleichstromwandlers kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen.
Die Stromsensoren weisen Shunt-Widerstände auf. Die über den Shu nt-Widerständen abfallend Spannung wird z.B. von
Operationsverstärkern erfasst und verstärkt. Auch wenn in den
Stromsensoren der Wandlermodule eines des Mehrphasen- Gleichstromwandlers mehrere Operationsverstärker eines gleichen Typs verwendet werden, kann es von Operationsverstärker zu
Operationsverstärker zu unterschiedlichen Verhalten kommen , insbesondere aufgrund von unterschiedlichen Offset-Spannungen und Verstärkungsfaktoren. Diese Fehler müssen kompensiert werden . Ein Konzept sieht vor, dass der Mehrphasen-Gleichspannungswandler kalibriert wird, damit der aufgrund der Fehler der Operationsverstäker sich ergebende Gesamtfehler kompensiert werden kann. Damit wird eine Reduzierung des Gesamtfehlers erreicht.
Mehrphasen-Gleichspannungswandler werden insbesondere dort eingesetzt, wo in einem Netz oder Teilnetz mit konstanter
Nennspannung stark schwankende Lasten versorgt werden müssen. Die stark schwankende Last hat bei konstanter Nennspannung stark schwankende Gleichströme zur Folge. Je nach Strombedarf ist es möglich ein, zwei, ... oder alle Wandlermodule zur Erzeugung eines gewünschten Gleichstroms mit einer gewünschten Stromstärke zu benutzen. Besteht ein hoher Strombedarf, werden alle oder nahezu alle Wandlermodule zur Einstellung des gewünschten Stroms verwendet, besteht dagegen ein nur niedriger Strombedarf, wird nur ein Wandlermodul verwendet. Je nach Strombedarf werden alle Wandlermodule an- und ausgeschaltet. Das ist sinnvoll, damit die Wandlermodule möglichst effektiv betrieben werden können.
Die beschriebene Kompensierung des Gesamtfehlers aufgrund der Fehler, die bei der Messung der Ausgangsströme durch die
Stromsensoren entstehen, führt in einem Teillastbetrieb des
Mehrphasen-Gleichspannungswandlers, also in einem Betriebsfall, in dem nicht alle Wandlermodule angeschaltet sind, zu einer
Fehlkompensation. Der für die Kompensation benutzte und durch die Kalibrierung ermittelte Gesamtfehler stimmt im Teillastbetrieb nicht mit dem tatsächlichen Fehler des Summenstroms überein.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, den eingangs beschriebenen Mehrphasen-Gleichspannungswandler so zu verbessern, dass es im Teiilastbetrieb zu keiner Fehlkompensation kommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der
Mehrphasen-Gleichspannungswandler einen Speicher oder mehrere Speicher aufweist, wobei in dem Speicher oder in den Speichern die Datensätze von Kalibrierungsdaten jedes der Stromsensoren abgelegt sind.
Diese Speicherung der Datensätze von Kalibrierungsdaten jedes der Stromsensoren macht es möglich, die Fehler jedes einzelnen
Stromsensors zu kompensieren . Die Kompensation der Fehler jedes Stromsensors kann dann vor der Addition der Werte der von den einzelnen Stromsensoren ermittelten Stromsignale erfolgen . Das kann auf unterschiedliche Art realisiert sein .
Ein erfindungsgemäßer Mehrphasen-Gleichspannungswandler kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass ein Speicher vorgesehen ist und in diesem einen Speicher für jeden Stromsensor ein Datensatz abgelegt ist. Dann kann jeder Stromsensor mit dem Speicher verbunden sein und von jedem Stromsensor kann der für ihn im
Speicher abgelegte Datensatz der Kalibrierungsdaten aus dem
Speicher abgerufen werden .
Ebenso ist es möglich, dass in einem erfindungsgemäßen
Mehrphasen-Gleichspannungswandler mehrere Speicher vorgesehen sind und in jedem Speicher genau ein Datensatz für einen der
Stromsensoren abgelegt ist. Dann kann jeder Stromsensor mit dem Speicher verbunden sein, in dem der Datensatz für diesen
Stromsensor gespeichert ist. Von jedem Stromsensor kann der für ihn abgelegte Datensatz aus dem Speicher abgerufen werden. Der Speicher und der mit ihm verbundene Stromsensor können in einer Einheit zusammengefasst sein.
Es ist möglich , dass jedem Stromsensor eine Verarbeitungseinheit zugeordnet ist, in welcher ein vom Stromsensor gemessener Wert in Abhängigkeit der Kalibrierdaten oder des Kalibrierdatums des
Datensatzes anpassbar ist. Jeder Stromsensor kann mit dem zugeordneten Speicher und dem zugeordneten Verarbeitungsmittel eine Einheit bilden. Ebenso kann jeder einem der Stromsensoren zugeordnete Speicher mit dem diesem Stromsensor zugeordneten Verarbeitungsmittel eine Einheit bildet.
Der vom Verarbeitungsmittel angepasste Wert kann am Ausgang des Verarbeitungsmittels bzw. der das Verarbeitungsmittel umfassenden Einheit abgreifbar sein.
Ebenso ist es möglich, dass das Additionsglied eines
erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandlers für jedes Wandlermodul eine Verarbeitungseinheit aufweist. Diese
Verarbeitungseinheiten können mit dem einzigen Speicher dieses erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandlers
verbunden sein. Durch jede der Verarbeitungseinheiten kann der für den Stromsensor des zugeordneten Wandlermoduls im Speicher abgelegte Datensatz aus dem Speicher abgerufen werden. Mit den Verarbeitungseinheiten können die von den Stromsensoren der Wandlermodule bereitgestellten Stromsignale in Abhängigkeit der Kalibrierdaten oder des Kalibrierdatums des Datensatzes angepasst werden.
Zu einem in dem oder den Speichern abgelegten Datensatz können ein Offset-Spannungswert und/oder ein Verstärkungsfaktor des zugordneten Stromsensors zählen . Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich, dass in der Figur schematisch dargestellt ist. Die Figur zeigt
Fig. 1 eine Anordnung zur Erfassung eines Summenstroms eines erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichstromwandlers.
Die in der Figur 1 schematisch dargestellte Anordnung weist einen Hardwareteil HW und einen Softwareteil SW auf, wobei der durch die Software realisierte Teil auch durch eine entsprechende Hardware realisiert werden kann. Der Softwareteil ist ein Programm oder
Programmteil, dass im Beispiel auf einem Mikrocontroller abgearbeitet wird.
Die Anordnung umfasst die Hardware zur Erfassung der
Ausgangsströme der Wandlermodule des erfindungsgemäßen
Mehrphasen-Gleichstromwandlers, zu dem sie gehört. Dieser
Mehrphasen-Gleichstromwandler hat sechs Wandlermodule.
Jedem der sechs Wandlermodule ist ein Stromsensor 11 bis 16 zugeordnet, der den Ausgangsstrom des Wandlermoduls misst, dem er zugeordnet ist. Dieses gemessene Stromsignal wird an einem Ausgang jedes Stromsensors 11 bis 16 bereitgestellt. Der Ausgang jedes Stromsensors 11 bis 16 ist mit einem Eingang eines
Mikrocontrollers verbunden. Über nicht dargestellte AD-Wandler werden die Stromsignale digitalisiert und je einer, durch einen
Programmteil realisierten Einheit 21 bis 26 zugeführt. Diese Einheiten umfassen Verarbeitungseinheiten und Speichervariablen, in denen Kalibrierungsdaten gespeichert sind, nämlich eine Offset-Spannung und ein Verstärkungsfaktor des Stromsensors 11 bis 16, dessen Stromsignal der Einheit 3 digitalisiert zugeführt wird. In der
Verarbeitungseinheit erfolgt dann mittels der gespeicherten
Kalibrierungsdaten eine Kompensation der durch die Offset-Spannung und einen Verstärkungsfaktor hervorgerufenen systematischen Fehler. Das fehlerkompensierte Stromsignal wird dann einem Additionsglied 3 zugeführt, in welchem die durch das kompensierte Stromsignal angegebenen Stromwerte der Ausgangsströme der Wandlermodule addiert werden. Das Summenstromsignal kann dann innerhalb oder außerhalb des Mikrocontrollers weiter verarbeitet werden , zum
Beispiel um den Strom am Ausgang des Mehrphasen- Gleichstromwandlers zu regeln .
Die Fehlerkompensation jedes einzelnen Fehlers erfordert einen Rechenaufwand, der bei einem langsamen Mikrokontroller dazu führen kann, dass die Verarbeitung der gemessenen Stromsignale und die Erzeugung des Summenstromsignals für den einen oder anderen Zweck zu langsam erfolgt. Daher sind Konzepte denkbar, bei denen für eine ungenau aber schnelle Regelung insbesondere in Fällen großer Dynamik im zu regelnden Prozess verzichtet wird und nur in den Fällen geringer Dynamik eine genaue Regelung gewünscht ist. Das kann dadurch realisiert werden, dass zusätzlich zur Addition von kompensierten Ausgangssignalen auch (innerhalb oder außerhalb des Mikrocontrollers) gemessene und unkompensierte Stromsignale addiert werden und zum Zweck eine schnelle Regelung möglich zu machen, dem MikroController zugeführt werden.

Claims

Patentansprüche:
1 . Mehrphasen-Gleichspannungswandler mit einem Ausgang mit wenigstens zwei Wandlermodulen, wobei jedes Wandlermodul einen Gleichspannungswandler, einen Stromsensor (1 1 bis 16) und einen Ausgang umfasst, wobei mit dem Stromsensor (1 1 bis 16) in dem
Wandlermodul ein Ausgangstrom des Wandlermod uls messbar ist und ein Stromsignal des Stromsensors (1 1 bis 16) an einem Sensorausgang des Wandlermoduls abgreifbar ist, mit wenigsten einem Additionsglied (3) mit wenigstens einem Eingang pro Wandlermodul und einem Ausgang, wobei jeder Eingang des Additionsglieds (3) mit dem Sensorausgang eines der Wandlermodule verbunden ist und wobei mit dem Additionsglied (3) aus den an den Eingängen anliegenden Stromsignalen ein Summenstromsignal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrphasen-Gleichspannungswandler einen Speicher oder mehrere Speicher aufweist, wobei in dem Speicher oder in den Speichern die Datensätze von
Kalibrierungsdaten jedes der Stromsensoren (1 1 bis 16) abgelegt sind .
2. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher vorgesehen ist und dass in dem Speicher für jeden Stromsensor (1 1 bis 16) ein Datensatz abgelegt ist.
3. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsensor (1 1 bis 16) mit dem Speicher verbunden ist und von jedem Stromsensor (1 1 bis 16) der für ihn im Speicher abgelegte Datensatz aus dem Speicher abrufbar ist.
4. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Speicher vorgesehen sind und in jedem Speicher genau ein Datensatz für einen der Stromsensoren (1 1 bis 16) abgelegt ist.
5. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsensor (1 1 bis 16) mit dem Speicher verbunden ist, in dem der Datensatz für diesen Stromsensor (1 1 bis 16) gespeichert ist und dass von jedem Stromsensor (1 1 bis 16) der für ihn abgelegte Datensatz aus dem Speicher abrufbar ist.
6. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem
Stromsensor (1 1 bis 16) eine Verarbeitungseinheit zugeordnet ist, in welcher ein vom Stromsensor (1 1 bis 16) gemessener Wert in Abhängigkeit der Kalibrierdaten oder des
Kalibrierdatums des Datensatzes anpassbar ist.
7. Mehrphasen-Gleichstromwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsensor (1 1 bis 16) mit dem zugeordneten Speicher und dem zugeordneten
Verarbeitungsmittel eine Einheit bildet.
8. Mehrphasen-Gleichstromwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einem der Stromsensoren (1 1 bis 16) zugeordnete Speicher mit dem diesem Stromsensor (1 1 bis 16) zugeordneten Verarbeitungsmittel eine Einheit (21 bis 26) bildet.
9. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach einem der
Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der
angepasste Wert am Ausgang des Verarbeitungsmittels bzw. der das Verarbeitungsmittel umfassenden Einheit (21 bis 26) abgreifbar ist.
10. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Additionsglied (3) für jedes Wandlermodul eine Verarbeitungseinheit aufweist, dass die Verarbeitungseinheiten mit dem Speicher verbunden sind und dass durch jede der Verarbeitungseinheiten der für den
Stromsensor (1 1 bis 16) des zugeordneten Wandlermoduls im Speicher abgelegte Datensatz aus dem Speicher abrufbar ist.
1 1 . Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass mit jeder der
Verarbeitungseinheiten das von dem Stromsensor (1 1 bis 16) des zugeordneten Wandlermoduls bereitgestellte Stromsignal in Abhängigkeit der Kalibrierdaten oder des Kalibrierdatums des Datensatzes anpassbar ist.
12. Mehrphasen-Gleichstromwandler nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem oder den Speichern abgelegte Datensatz eine Offset-Spannungswert und/oder einen Verstärkungsfaktor des zugordneten Stromsensors aufweist.
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