WO2019076481A1 - Trägermodulierte pulsweitenmodulation zur anpassung des verzerrungsspektrums einer getakteten leistungselektronik - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for carrier-modulated pulse width modulation for adapting the distortion spectrum of a clocked power electronics during operation of an electric motor.
  • a battery voltage of 12 V and a voltage used for the drive which may be at about 48 V for mild hybrids and between 250 V and 900 V for large drives, for example.
  • an example of a built-in an electric vehicle DC-DC converter shows the document US 2013/0147404 AI.
  • the DC-DC converter between a serving as a DC power source battery and a first and second motor, which operates either as a motor or as a generator, arranged.
  • the converter includes first and second inverters configured to supply power to the first and second motors, respectively, or to receive power from the first and second motors, respectively.
  • a DC converter amplifies the DC voltage from the battery, supplies the first and second inverters with the boosted voltage of the battery, boosts the DC voltage of the first and second inverters, and supplies the battery with its boosted voltage.
  • a control unit may be configured to control the output voltage applied to the first and second inverters by switching the DC-DC converters after generating a voltage command based on a torque command and a current command allocation table.
  • DC-DC converter With a DC-DC converter inherent switching principle, they provide a critical source of electromagnetic interference to sensitive electronic devices, Such as control buses or car radios.
  • sensitive electronic devices such as control buses or car radios.
  • Interference abbreviated to EMI, sensitive areas. This is discussed, for example, in D. Han, S. Li, Y. Wu, W. Choi, and B. Sarlioglu, "Comparative Analysis on Conducted CM EMI Emission of Motor Drives: WBG versus Si Devices," IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS , vol. 64, no. 10, pp. 8353-8363, DOI: 10.1109 / ⁇ .2017.2681968 (2017).
  • spectral shaping In combination with EMI filters and a number of phases of a converter, a respective modulation method has a major influence on the EMI problem.
  • several methods have been developed to reduce the power density of spectral components in a converter current, often referred to as spectral shaping or
  • Power semiconductor switch controls caused distortion spectrum and thereby improves the electromagnetic compatibility (EMC).
  • EMC electromagnetic compatibility
  • Distortion spectrum also any time gaps or a particular shape can be effected.
  • a maximum spectral power density should be lower by distributing over respective spectral ranges than in previous PWM methods.
  • a method for controlling a power electronics comprising at least two power semiconductor switch and is controlled according to pulse width modulation by a first control unit, wherein the pulse width modulation is performed according to a dynamically varying clock signal and wherein the respective at a time
  • the first control unit and the second control unit may also be combined in terms of their respective functionalities in a single control unit. Preferably, however, at least two control units are provided.
  • the first control unit executes a pulse width modulation for controlling the power semiconductor switches in order to adapt each required continuous reference curve of a reference voltage present as an input signal to quantized switching states of the power semiconductor switches which supply an output voltage.
  • the pulse width modulation is based on a respective clock signal, the first
  • Control unit is available as another input signal.
  • the respective clock is calculated by a second control unit in such a way that it derives from the deviations between reference voltage and output voltage
  • the second control unit which is implemented, for example, by a microcontroller, generates a random number x, for example according to a predetermined statistical distribution function f (x), in the case described here uniformly in the interval [0, 1], without changing another limit possible choice of an interval.
  • a predetermined statistical distribution function f (x) in the case described here uniformly in the interval [0, 1], without changing another limit possible choice of an interval.
  • Presets-oriented target spectrum ⁇ ( ⁇ ) is a function of a switching frequency ⁇ , whose inverse function represents the clock signal for the pulse width modulation.
  • Control unit now assigns by means of an equation each random number x is clearly a switching frequency ⁇ to, and puts this the first
  • Control unit for pulse width modulation available.
  • a voltage-controlled oscillator abbreviated to VCO, is selected for generating the variable clock signal for the first control unit.
  • a transfer function Tvco (V) is between incoming voltage V and outgoing clock signal well known.
  • the second control unit calculates, from the inverted equation (2), the voltage V necessary for generating the respective clock signal with which the VCO is controlled by the second control unit:
  • the VCO voltage is updated in the second control unit after a variable time interval ⁇ , for example a log normal distribution ⁇ ⁇ In N taken after its elapse, a new pair of random numbers (x, r) is drawn from the respective distributions.
  • ⁇ for example a log normal distribution ⁇ ⁇ In N taken after its elapse, a new pair of random numbers (x, r) is drawn from the respective distributions.
  • the first control unit can from the variable clock signal a power and / or
  • Voltage control of the DC-DC converter for example, in accordance with a proportional integral control, abbreviated by the person skilled in PI, perform, which can also be performed cascaded with simultaneous power and voltage control.
  • a control loop With each clock edge of a variable clock, a control loop is passed through at least once and a new "duty cycle" and thus consequently a proportionate duration of the clock is determined for which a power semiconductor switch is activated or deactivated.
  • two power semiconductor switches are each used as a half bridge for driving a phase of a Electromotor selected.
  • the method according to the invention can be extended as desired to the control of a plurality of half-bridges or of a plurality of phases. Despite the then existing higher number of output phases, the spectra of the output signals can be calculated and optimized.
  • a clock, according to which the second control unit is operated or executed, is independent of
  • the control of the VCO used for generating the clock signal of the pulse width modulation is performed by the second control unit according to equation (3) via an analog voltage.
  • control of the VCO used for generating the clock signal of the pulse width modulation takes place with a digital signal and a downstream low-pass filter.
  • the given number sequence must have a minimum length that excludes temporal correlations.
  • the predetermined target spectrum takes into account limit values from electromagnetic standards
  • At least one gap in the predetermined target spectrum ensures the trouble-free operation of further electronics present in an area of influence.
  • the respective gap can, for example, by a current radio reception frequency, a mobile frequency or other sensitive frequency ranges verbauter communication buses or the like, or even multiples of the respective associated harmonic
  • the target spectrum can also be changed adaptively as required, for example by means of a tracking gap during a station search of the radio.
  • the switching frequency of the pulse width modulation according to equation (1) is determined from the target spectrum, and thus taken in the simplest case, a temporal portion of the respective switching frequency directly ultimately only an indication of a signal energy at the respective frequency corresponding target spectrum. In such a procedure, however, it must be taken into account that the pulse width modulation causes a square drive owed to an on or off state of the power semiconductor switch, and thus harmonic from the rectangular course
  • Harmonics occur at each switching frequency of the pulse width modulation. Assuming a monochromatic conversion of each PWM switching frequency into the distortion spectrum, multiples of each PWM switching frequency would result in an increased energy density over the initial target spectrum. To avoid this, a power at the multiples of each frequency must be reduced from the target spectrum according to a frequency transform of a rectangular function by a divider having an harmonic harmonic order amount. Instead of using the target spectrum ⁇ ( ⁇ ) determined by specifications, therefore, in one embodiment of the method according to the invention the target spectrum is reduced at a respective multiple j of a selection of multiples of a frequency corresponding to the respective clock signal and one obtains according to a modified target spectrum ⁇ '( ⁇ ).
  • Frequency response of the output is often estimable as a first approximation by linear filtering of the PWM switching signal, for example by low pass filtering or generally by an FIR filter, i. a filter with a finite impulse response, or an IIR filter, i. a filter with an infinite
  • Such a filter behavior of a signal path can be compensated for by approximately applying an inverse of a signal line modified signal to the target spectrum.
  • the inverse of the corresponding filter can be applied to the target spectrum for compensation, so that at the end of the signal path the frequency behavior of the output, for example output voltage or output current, approximately follows the target spectrum.
  • a semiconductor material having a large band gap is selected. This may, for example, consist of GaN or SiC. Such materials with a large band gap advantageously allow high switching frequencies during operation of the Power semiconductor switch, with disadvantages of the consequent
  • a system for controlling a power electronics which has at least two power semiconductor switches, a first control unit for controlling the at least two power semiconductor switches by pulse width modulation, a clock and a second control unit for calculating a clock, after which the pulse width modulation is performed, and is configured to carry out a method according to any one of the preceding claims.
  • the clock generator is a voltage-controlled oscillator, abbreviated as VCO.
  • VCO voltage-controlled oscillator
  • the VCO converts an input voltage into a clock signal, the transfer function of the conversion being commonly known.
  • control unit is a microcontroller.
  • the microcontroller is used to control the
  • Microcontroller the pulse width modulation, for example. Provided by a low-pass guided reference signal, provided by the microcontroller as a digital signal at a GPIO output provided with a reference voltage.
  • the microcontroller can be acted upon by other tasks, for example with a communication with the vehicle-side low-voltage master signal, with a communication with a vehicle radio via a CAN bus, with a provision of various Reference signals, or providing data for start-up control, monitoring, temperature monitoring, power dissipation, and more.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a possible embodiment of an inventive control of a power semiconductor switch.
  • Figure 2 shows a schematic representation of an exemplary circuit of a controlled by the inventive method half-bridge.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an exemplary circuit of two half-bridges controlled by the method according to the invention.
  • FIG. 4 shows exemplary distortion spectra in which two of the prior art and two have arisen by carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a possible embodiment of a drive 100 according to the invention of a power semiconductor switch 120.
  • a target spectrum 102 is optionally a compensation 104 with respect to harmonic
  • Harmonics the various sources, for example.
  • a distribution density of the resulting spectrum by means of a calculation 106, for example of equation (1), a number 114, for example, from a random or
  • Distribution of this number sequence is known, transformed into a switching frequency and used to a clock generation 110.
  • the clock generation 110 can be performed, for example, by a voltage-controlled oscillator, abbreviated to VCO.
  • VCO voltage-controlled oscillator
  • a generation 108 of a varying holding time, or a voice speed it is determined how long a respective clock is held.
  • Generation 108 may optionally be based on a random or deterministic sequence.
  • the respective clock is used for a pulse width modulation 112, abbreviated PWM, as the switching frequency for driving the power semiconductor switch 120.
  • PWM pulse width modulation
  • a "duty cycle" or degree of modulation 118 enters the PWM, Alternatively, a static holding time can also be dispensed with completely dynamic adaptation of ⁇ done.
  • FIG. 2 shows, in a schematic representation, an exemplary circuit of a half-bridge 243, 244 triggered by means of the method according to the invention.
  • Microcontroller 210 controls the PWM generator 230 by means of two outputs 212 and 214.
  • the two outputs 212 and 214 may be digital general purpose input / output outputs, abbreviated GPIO.
  • Output 212 provides a reference voltage 208 to PWM generator 230 at input 231 via a low pass filter.
  • Output 214 also controls via a low-pass filter a VCO 220, which forwards a clock signal into the input 236 of the PWM generator 230.
  • the VCO itself is very high, eg clocked at 1 MHz.
  • the PWM generator 230 controls via Output 233 a high-side power semiconductor switch 243 and output 234 a low-side power semiconductor switch 244 of the half-bridge 243, 244th Der
  • DC converter 200 has an input 201 with a higher voltage, for example 48 V, and an input 202 with a lower voltage 202, for example 12 V.
  • a voltage measurement 204 is performed simultaneously with input 232 and a current measurement 206 is made with input 235 ,
  • FIG 3 shows a schematic representation of an exemplary circuit of two driven by the inventive method half bridges 243, 244 and 343, 344. Shown is the circuit for a two-phase DC converter 300.
  • the PWM generator 230 now controls in addition via output 333 a high-side - Power semiconductor switch 343 and output 334 a low-side power semiconductor switch 344 of the half-bridge 343, 344.
  • DC converter 300 may be used, for example, to provide a better
  • Partial load and to achieve a better partial load efficiency for example by a phase is turned off at low power.
  • the two phases can be switched in time offset from each other to reduce the current ripple.
  • each phase can also have its own PWM, which can also have its own switching frequency, in order to better adapt an overall emission spectrum to the target spectrum.
  • exemplary distortion spectra 410, 420, 430, 440 are shown in which the distortion spectra 410 and 420 of the prior art and the distortion spectra 430 and 440 have been produced by carrying out the method according to the invention.
  • Upwards is an amplitude 404 in any but the same unit for all four distortion spectra, and to the right a frequency 402 in kHz is plotted.
  • the distortion spectrum 410 shows three in conventional
  • Amplitude 404 plotted in any unit, extends to a numerical value of nearly 200.
  • a conventional spectral Gaussian broadening of the harmonic shown in the distortion spectrum 410 has been found Harmonics emulated. It should be noted that here and in the other
  • Distortion spectra 430 and 440 which for all standards, such as CISPR, and also for sensitive systems central size of a maximum power density over a conventional PWM fixed clock, shown in distortion spectrum 410, with a numerical value of less than 15 fails, which is approximately because the larger the bandwidth, the lower the power density peak.
  • Distortion Spectrum 430 the target spectrum 432 was given as two example Gaussian curves of different widths as an example of a complicated course. A through an embodiment of the
  • inventive spectrum resulting 434 can reproduce the predetermined target spectrum very well. Deviating from the target spectrum higher-frequency components, visible from 400 kHz, have an amplitude value of only below 5. Also specified in distortion spectrum 440 target spectrum 442 is represented by the effected by an embodiment of the inventive method spectrum 444 very well.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Leistungselektronik (200), bei dem die Leistungselektronik (200) mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter (243, 244) umfasst und gemäß Pulsweitenmodulation durch eine erste Steuereinheit (230) gesteuert wird, wobei die Pulsweitenmodulation gemäß einem dynamisch variierten Taktsignal (236) ausgeführt wird und wobei das zu einem Zeitpunkt jeweilige Taktsignal durch eine zweite Steuereinheit (210) unter Verwendung eines vorgegebenen Zielspektrums berechnet wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes System.

Description

Trägermodulierte Pulsweitenmodulation zur Anpassung des
Verzerrungsspektrums einer getakteten Leistungselektronik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur trägermodulierten Pulsweitenmodulation zur Anpassung des Verzerrungsspektrums einer getakteten Leistungselektronik beim Betrieb eines Elektromotors.
In Kraftfahrzeugen mit teilweisem oder reinem Elektroantrieb spielen Gleichstrom- Gleichstrom-Wandler eine essentielle Rolle, um Energie zwischen verschiedenen
Spannungsniveaus zu übertragen, bspw. zwischen einer Batteriespannung von 12 V und einer für den Antrieb verwendeten Spannung, welche bspw. bei ca. 48 V bei Mild- Hybriden und zwischen 250 V und 900 V bei großen Antrieben liegen kann.
Ein Beispiel für einen in einem Elektrofahrzeug verbauten Gleichstrom-Gleichstrom- Wandler zeigt die Druckschrift US 2013/0147404 AI auf. Dabei ist der Gleichstrom- Gleichstrom-Wandler zwischen einer als Gleichstromquelle dienenden Batterie und einem ersten und zweiten Motor, der wahlweise als Motor oder als Generator arbeitet, angeordnet. Der Wandler umfasst erste und zweite Wechselrichter, die dazu eingerichtet sind, dem ersten bzw. zweiten Motor Energie zuzuführen oder von dem ersten bzw. zweiten Motor Energie aufzunehmen. Ein Gleichstrom-Wandler verstärkt die Gleichstrom- Spannung von der Batterie, versorgt die ersten und zweiten Wechselrichter mit der verstärkten Spannung der Batterie, verstärkt die Gleichstrom-Spannung der ersten und zweiten Wechselrichter und versorgt die Batterie mit deren verstärkter Spannung. Eine Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die an die ersten und zweiten Wechselrichter angelegte Ausgangsspannung durch Schalten der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler nach Erzeugen eines Spannungsbefehls auf der Grundlage einer Drehmomentbefehl- und einer Strombefehl-Zuordnungstabelle zu steuern.
Durch ein den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern eigenes Schaltprinzip stellen sie eine kritische Quelle elektromagnetischer Interferenzen für empfindliche elektronische Geräte, wie bspw. Kontrollbusse oder Autoradios dar. Darüber hinaus können elektronische Geräte mit Halbleitermaterialien, die eine große Bandlücke aufweisen, wie bspw.
Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), im Vergleich zu konventionellem Silizium ein zehn- bis tausendmal schnelleres Schalten in Feldeffekttransistoren, mit FET abgekürzt, aufweisen, beeinträchtigen aber mit dabei ausgestrahlten elektromagnetischen
Interferenzen, mit EMI abgekürzt, sensible Bereiche. Besprochen wird dies bspw. in D. Han, S. Li, Y. Wu, W. Choi, und B. Sarlioglu, "Comparative Analysis on Conducted CM EMI Emission of Motor Drives: WBG versus Si Devices," IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, vol. 64, no. 10, pp. 8353-8363, DOI: 10.1109/ΤΊΕ.2017.2681968 (2017).
Bei Forschungsarbeiten über hohe Schaltraten in Schaltkreisen wird üblicherweise ein konventionelles Pulsweitenmodulationsverfahren, mit PWM abgekürzt, eingesetzt, wobei die Problematik unbeachtet bleibt, dass die durch die auftretenden Schaltraten bedingte hohe EMI, sowie eine hohe Leistungsdichte in ersten harmonischen Oberschwingungen, einen für verschiedene Kommunikations- und Positionierungsanwendungen reservierten Langwellen- und Mittelwellenbereich beeinträchtigen. In diesbezüglich empfindlichen Umgebungen, wie sie bspw. in Fahrzeugen und Flugzeugen zu finden sind, tauschen vielerlei Kommunikationsbusse Informationen in diesen Bereichen aus und beschränken damit in vielen Schaltkreisen die Anwendung hoher Schaltraten.
Im Zusammenspiel mit EMI-Filtern und einer Phasenanzahl eines Konverters hat eine jeweilige Modulationsmethode einen Haupteinfluss auf die EMI-Problematik. Hierbei wurden mehrere Methoden entwickelt, um die Leistungsdichte spektraler Anteile in einem Konverterstrom zu reduzieren, oft bezeichnet als spektrale Formungs- oder
Verbreiterungsmethoden. Gut bekannte spektrale Formungsmethoden sind
frequenzmodulierte PWM, Zufalls-PWM, chaotische PWM, und Sigma-Delta Modulation. Diese Methoden variieren die Schaltrate, um spektrale Spitzen an einer Schaltfrequenz und ihrer Harmonischen zu verbreitern, und verkleinern durch eine Verteilung einer Störungsleistung die maximale Leistungsdichte im Verzerrungsspektrum. Während die bisherigen Methoden, beschrieben bspw. in K. K. Tse, H. S.-H. Chung, S. Y. Ron Hui, and H. C. So, "A comparative study of carrier-frequency modulation techniques for conducted EMI suppression in PWM Converters," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, pp. 618-627, 2002, zwar die Leistungsdichte eines Outputs herabsetzen, verkomplizieren sie jedoch eine Steuerung, da gemeinhin eine Taktrate in einem Haupt-Kontrollzyklus oder die Modulierung variiert werden. Folglich ist eine
Implementierung von Hochleistungskonvertern mit einer dezidierten Kontrolldynamik sehr anspruchsvoll und verändert zudem eine erreichbare Kontrollbandbreite im Laufe eines Betriebes. Darüber hinaus ist die spektrale Verbreiterung nur ad-hoc und kann nicht gemäß eines vorbestimmten Referenzspektrums ausgerichtet werden.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung von Leistungselektroniken, wie bspw. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern und/oder Invertern bereitzustellen, dass das durch das Schalten der
Leistungshalbleiterschalter hervorgerufene Verzerrungsspektrum steuert und dadurch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert. Im Gegensatz zu bekannten spektralen Verbreiterungsverfahren sollen im spektralen Verlauf des
Verzerrungsspektrums auch jeder Zeit Lücken oder eine besondere Form bewirkt werden können. Jedenfalls soll eine maximale spektrale Leistungsdichte durch Verteilen über jeweilige spektrale Bereiche niedriger sein als bei bisherigen PWM-Verfahren. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes System zur
Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen. Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Steuerung einer Leistungselektronik beansprucht, bei dem die Leistungselektronik mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter umfasst und gemäß Pulsweitenmodulation durch eine erste Steuereinheit gesteuert wird, wobei die Pulsweitenmodulation gemäß einem dynamisch variierten Taktsignal ausgeführt wird und wobei das zu einem Zeitpunkt jeweilige
Taktsignal durch eine zweite Steuereinheit unter Verwendung eines vorgegebenen Zielspektrums berechnet wird. Die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit können auch hinsichtlich ihrer jeweiligen Funktionalitäten in einer einzigen Steuereinheit zusammengefasst sein. Bevorzugt sind jedoch wenigstens zwei Steuereinheiten vorgesehen.
Die erste Steuereinheit führt dabei zur Steuerung der Leistungshalbleiterschalter eine Pulsweitenmodulation aus, um jeden geforderten kontinuierlichen Referenzverlauf einer als Eingangssignal vorliegenden Referenzspannung auf quantisierte Schaltzustände der Leistungshalbleiterschalter, die eine Ausgangsspannung liefern, anzupassen. Der Pulsweitenmodulation liegt ein jeweiliges Taktsignal zu Grunde, das der ersten
Steuereinheit als weiteres Eingangssignal zur Verfügung steht. Erfindungsgemäß wird der jeweilige Takt von einer zweiten Steuereinheit dergestalt berechnet, dass das aus den Abweichungen zwischen Referenzspannung und Ausgangsspannung der
Leistungselektronik bestehende Verzerrungsspektrum einem vorgegebenen Zielspektrum entspricht.
Hierzu erzeugt die zweite Steuereinheit, die bspw. durch einen Mikrocontroller realisiert ist, eine Zufallszahl x, bspw. gemäß einer vorgegebenen statistischen Verteilungsfunktion f(x), und zwar im hier beschriebenen Fall gleichmäßig im Intervall [0, 1], ohne dabei eine andere mögliche Wahl eines Intervalls zu beschränken. Ein gemäß verschiedener
Vorgaben ausgerichtetes Zielspektrum Ζ(ω) ist Funktion einer Schaltfrequenz ω, dessen inverse Funktion das Taktsignal für die Pulsweitenmodulation darstellt. Die zweite
Steuereinheit ordnet nun mittels einer Gleichung
Figure imgf000006_0001
jeder Zufallszahl x eindeutig eine Schaltfrequenz ω zu, und stellt diese der ersten
Steuereinheit für die Pulsweitenmodulation zur Verfügung. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Erzeugung des variablen Taktsignals für die erste Steuereinheit ein spannungsgesteuerter Oszillator, mit VCO abgekürzt, gewählt. Bei diesem ist eine Transferfunktion Tvco(V) zwischen eingehender Spannung V und ausgehendem Taktsignal
Figure imgf000007_0001
wohlbekannt. Die zweite Steuereinheit berechnet aus der invertierten Gleichung (2) die für die Erzeugung des jeweiligen Taktsignals notwendige Spannung V, mit der der VCO von der zweiten Steuereinheit angesteuert wird:
Figure imgf000007_0002
Um eine Erzeugung von Seitenbändern, Subharmonischen und weiteren aus den konventionellen Methoden zur spektralen Verbreiterung bekannten Sampling-Artefakten zu unterdrücken, erfolgt in der zweiten Steuereinheit eine Aktualisierung der VCO-Spannung nach einem variablen Zeitintervall τ , bspw. einer log-Normalverteilung τ ~ In N entnommenen, wobei nach dessen Verstreichen ein neues Paar zweier Zufallszahlen (x, r) aus den jeweiligen Verteilungen gezogen wird. Somit ist zu jedem Zeitpunkt die zeitliche Fortschreibung der spektralen Eigenschaften des Verzerrungsspektrums bestimmt. Die erste Steuereinheit kann aus dem variablen Taktsignal eine Strom- und/oder
Spannungsregelung des Gleichspannungswandlers, bspw. gemäß einer Proportionalintegral-Regelung, vom Fachmann mit PI abgekürzt, durchführen, die bei gleichzeitiger Strom- und Spannungsregelung auch kaskadiert ausgeführt sein kann. Mit einer jeden Taktflanke eines variablen Taktes wird eine Regelschleife entsprechend mindestens einmal durchlaufen und ein neuer„duty cycle" und damit folglich eine anteilige Dauer des Taktes bestimmt, für die ein Leistungshalbleiterschalter aktiviert oder deaktiviert wird.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden jeweils zwei Leistungshalbleiterschalter als jeweils eine Halbrücke zur Ansteuerung einer Phase eines Elektromotors gewählt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist beliebig auf die Steuerung mehrerer Halbbrücken, bzw. mehrerer Phasen erweiterbar. Trotz der dann vorliegenden höheren Zahl von Ausgangsphasen lassen sich die Spektren der Ausganssignale berechnen und optimieren.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Takt, gemäß welchem die zweite Steuereinheit operiert bzw. ausgeführt wird, unabhängig vom
Taktsignal der ersten Steuereinheit gewählt. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ansteuerung des zur Erzeugung des Taktsignals der Pulsweitenmodulation verwendeten VCO durch die zweite Steuereinheit gemäß Gleichung (3) über eine analoge Spannung.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ansteuerung des zur Erzeugung des Taktsignals der Pulsweitenmodulation verwendeten VCO mit einem Digitalsignal und nachgeschaltetem Tiefpassfilter.
In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Variation des jeweiligen Taktsignals der Pulsweitenmodulation durch die erfindungsgemäße Berechnung einer Schaltfrequenz nach Gleichung (1), wobei eine Zahl aus dem Intervall [0, 1] mittels eines pseudozufälligen Algorithmus oder aufgrund einer vorgegebenen Zahlensequenz bestimmt wird. Zur Unterdrückung von Artefakten muss die vorgegebene Zahlensequenz allerdings eine Mindestlänge aufweisen, die zeitliche Korrelationen ausschließt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt das vorgegebene Zielspektrum Grenzwerte aus Normen zur elektromagnetischen
Verträglichkeit, welche bspw. in CISPR-Normen, Industrie- oder Entwicklungsnormen festgelegt sind. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch mindestens eine Lücke in dem vorgegebenen Zielspektrum der störungsfreie Betrieb weiterer in einem Einflussbereich vorhandener Elektroniken gewährleistet. Die jeweilige Lücke kann bspw. durch eine aktuelle Radioempfangsfrequenz, eine Mobilfunkfrequenz oder weitere sensitive Frequenzbereiche verbauter Kommunikationsbusse oder dergleichen, bzw. auch Vielfachen der jeweilig zugehörigen harmonischen
Oberschwingungen, begründet sein. Durch die dynamische Variation des Taktsignals gemäß Gleichung (1) kann das Zielspektrum je nach Bedarf auch adaptiv verändert werden, bspw. durch eine mitlaufende Lücke bei einem Sendersuchlauf des Radios.
Zwar wird die Schaltfrequenz der Pulsweitenmodulation gemäß Gleichung (1) aus dem Zielspektrum bestimmt, und damit im einfachsten Fall auch ein zeitlicher Anteil der jeweiligen Schaltfrequenz direkt dem letztlich lediglich einer Angabe einer Signalenergie bei der jeweiligen Frequenz entsprechendem Zielspektrum entnommen. Bei einem solchen Vorgehen muss aber berücksichtigt werden, dass die Pulsweitenmodulation eine einem ein- bzw. ausgeschaltetem Zustand der Leistungshalbleiterschalter geschuldete rechteckige Ansteuerung bewirkt, und so aus dem Rechteckverlauf harmonische
Oberschwingungen zu jeder Schaltfrequenz der Pulsweitenmodulation entstehen. Geht man von einer monochromatischen Umsetzung jeder PWM-Schaltfrequenz in das Verzerrungsspektrum aus, würde sich an Vielfachen jeder PWM-Schaltfrequenz eine gegenüber dem anfänglichen Zielspektrum erhöhte Energiedichte ergeben. Um dies zu vermeiden, muss eine Leistung an den Vielfachen jeder Frequenz gegenüber dem Zielspektrum verringert werden, und zwar gemäß einer Frequenztransformierten einer Rechteckfunktion durch einen Teiler mit einem Betrag der Ordnung der harmonischen Oberschwingung. Statt das anhand von Vorgaben bestimmte Zielspektrum Ζ(ω) zu verwenden, wird daher in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Zielspektrum an einem jeweiligen Vielfachen j einer Auswahl von Vielfachen einer dem jeweiligen Taktsignal entsprechenden Frequenz verringert und man erhält gemäß
Figure imgf000009_0001
ein modifiziertes Zielspektrum Ζ'(ω).
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das
Zielspektrum einer inversen Faltung mit einer Frequenztransformierten einer
Schaltfunktion der Leistungshalbleiterschalter unterzogen. Die Schaltfunktion
berücksichtigt zusätzlich reale Abweichungen von einer dem Ein- und Ausschaltzustand des Leistungshalbleiterschalters entsprechenden Rechteckfunktion, die aus nicht perfekt rechteckigen Übergängen zwischen den beiden Schaltzuständen und/oder auch
Schaltüberspannungen bestehen.
Darüber hinaus kann insbesondere bei Gleichstrom-Wandlern ein Frequenzverhalten vorliegen, welches verhindert, dass die PWM-Schaltfrequenz in Ausgangsparametern, bspw. einer Ausgangsspannung oder einem Ausgangsstrom, erkennbar ist.
Bei typischen Gleichspannungswandlern wird in der Regel die Ladung eines magnetischen Speichers angesteuert. Ein Frequenzverhalten des Ausganges ist dagegen oft in erster Näherung durch eine lineare Filterung des PWM-Schaltsignals schätzbar, beispielsweise durch eine Tiefpassfilterung oder allgemein durch ein FIR-Filter, d.h. ein Filter mit einer endlichen Impulsantwort, oder ein IIR-Filter, d.h. ein Filter mit einer unendlichen
Impulsantwort. Entsprechend kann auch ein derartiges Filterverhalten einer Signalstrecke kompensiert werden, indem näherungsweise ein Inverses eines durch die Signalstrecke modifizierten Signals auf das Zielspektrum angewandt wird. Beispielsweise kann das Inverse des entsprechenden Filters auf das Zielspektrum zu einem Ausgleich angewandt werden, damit am Ende der Signalstrecke das Frequenzverhalten des Ausganges, bspw. Ausgangsspannung oder Ausgangsstrom, dem Zielspektrum näherungsweise folgt.
Schließlich wird in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der Leistungshalbleiterschalter ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke gewählt. Dieses kann bspw. aus GaN oder SiC bestehen. Solche Materialien mit großer Bandlücke ermöglichen vorteilhaft hohe Schaltfrequenzen beim Betrieb der Leistungshalbleiterschalter, wobei sich Nachteile des sich dadurch bedingten
Verzerrungsspektrums mittels einer Ausführungsform des hier vorgestellten
erfindungsgemäßen Verfahrens kompensieren lassen. Ferner wird ein System zu einer Steuerung einer Leistungselektronik beansprucht, welches mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter, eine erste Steuereinheit zur Steuerung der mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter durch Pulsweitenmodulation, einen Taktgeber und eine zweite Steuereinheit zur Berechnung eines Taktes, nach dem die Pulsweitenmodulation ausgeführt wird, aufweist, und dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche auszuführen.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist der Taktgeber ein spannungsgesteuerter Oszillator, abgekürzt als VCO bezeichnet. Der VCO setzt eine Eingangsspannung in ein Taktsignal um, wobei die Transferfunktion der Umsetzung gemeinhin bekannt ist.
In noch weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist die Steuereinheit ein MikroController. Insbesondere dient der MikroController der Ansteuerung der
Pulsweitenmodulation und erzeugt durch Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bspw. durch Berechnung von Gleichung (3), über einen GPIO-Ausgang, abgekürzt für general purpose lnput-/Output-Ausgang, ein Digitalsignal, welches über einen Tiefpass die Eingangsspannung des VCO und damit die
Schaltfrequenz für die Pulsweitenmodulation darstellt. Des Weiteren kann der
Mikrocontroller die Pulsweitenmodulation bspw. durch ein über einen Tiefpass geführtes Referenzsignal, vom Mikrocontroller als digitales Signal an einem GPIO-Ausgang zur Verfügung gestellt, mit einer Referenzspannung versorgen. Darüber hinaus kann der Mikrocontroller mit weiteren Aufgaben beaufschlagt sein, bspw. mit einer Kommunikation mit dem fahrzeugseitigen Niedrigspannungs-Master-Signal, mit einer Kommunikation mit einem Fahrzeugradio über einen CAN-Bus, mit einer Bereitstellung verschiedener Referenzsignale, oder mit einer Bereitstellung von Daten zu einer Start-up-Kontrolle, zum Monitoring, zu einer Temperaturüberwachung, zu einer Verlustleistung und vieles mehr.
Während bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens nahezu ausschließlich von Spannungen gesprochen wurde, lässt es sich in gleicher Weise in stromgesteuerten oder stromgeregelten Systemen durchführen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen
Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Schaltung einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuerten Halbbrücke. Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Schaltung zweier mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuerter Halbbrücken.
Figur 4 zeigt beispielhafte Verzerrungsspektren, bei denen zwei aus dem Stand der Technik und zwei durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entstanden sind. In Figur 1 wird in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ansteuerung 100 eines Leistungshalbleiterschalters 120 gezeigt. Ein Zielspektrum 102 wird optional einer Kompensation 104 bzgl. harmonischer
Oberschwingungen, die verschiedenen Quellen, bspw. eines letztlich rechteckigen Ansteuerungssignals der Pulswellenmodulation entstammen können, unterworfen. Gemäß einer Verteilungsdichte des resultierenden Spektrums wird mittels einer Berechnung 106, bspw. von Gleichung (1), eine Zahl 114, die bspw. aus einer zufälligen oder
deterministischen Zahlensequenz generiert wird, wobei vorteilhaft die statistische
Verteilung dieser Zahlensequenz bekannt ist, in eine Schaltfrequenz transformiert und zu einer Taktgenerierung 110 verwendet. Die Taktgenerierung 110 kann bspw. durch einen spannungsgesteuerten Oszillator, mit VCO abgekürzt, vorgenommen werden. Mittels einer Generierung 108 einer variierenden Haltedauer, bzw. einer Stimmgeschwindigkeit, wird bestimmt, wie lange ein jeweiliger Takt gehalten wird. Die Generierung 108 kann optional anhand einer zufälligen oder deterministischen Sequenz erfolgen. Der jeweilige Takt dient einer Pulsweitenmodulation 112, mit PWM abgekürzt, als Schaltfrequenz zu einer Ansteuerung des Leistungshalbleiterschalters 120. Des Weiteren geht auch ein „duty cycle" bzw. Aussteuergrad 118 in die PWM ein. Alternativ kann auch auf eine statische Haltedauer verzichtet werden und eine vollständig dynamische Anpassung von ω erfolgen.
In Figur 2 wird in schematischer Darstellung eine beispielhafte Schaltung einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuerten Halbbrücke 243, 244 gezeigt.
Dargestellt ist die Schaltung für einen einphasigen Gleichstromwandler 200. Ein
MikroController 210 steuert mittels zweier Ausgänge 212 und 214 den PWM-Generator 230. Bei den beiden Ausgängen 212 und 214 kann es sich um digitale general purpose Input/Output-Ausgänge, mit GPIO abgekürzt, handeln. Ausgang 212 stellt dem PWM- Generator 230 an Eingang 231 über einen Tiefpassfilter eine Referenzspannung 208 zur Verfügung. Ausgang 214 steuert ebenfalls über einen Tiefpassfilter einen VCO 220, der in den Eingang 236 des PWM-Generators 230 ein Taktsignal weiterleitet. Der VCO selber ist dabei sehr hoch, bspw. mit 1 MHz getaktet. Der PWM-Generator 230 steuert über Ausgang 233 einen High-Side-Leistungshalbleiterschalter 243 und mit Ausgang 234 einen Low-Side-Leistungshalbleiterschalter 244 der Halbbrücke 243, 244. Der
Gleichstromwandler 200 hat einen Eingang 201 mit höherer Spannung, bspw. 48 V, und einen Eingang 202 mit niedrigerer Spannung 202, bspw. 12 V. Am PWM-Generator 230 wird gleichzeitig mit Eingang 232 eine Spannungsmessung 204 und mit Eingang 235 eine Strommessung 206 vorgenommen.
In Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Schaltung zweier mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuerter Halbbrücken 243, 244 und 343, 344. Dargestellt ist die Schaltung für einen zweiphasigen Gleichstromwandler 300. Der PWM- Generator 230 steuert nun zusätzlich über Ausgang 333 einen High-Side- Leistungshalbleiterschalter 343 und mit Ausgang 334 einen Low-Side- Leistungshalbleiterschalter 344 der Halbbrücke 343, 344. Eine zweite Phase im
Gleichstromwandler 300 kann beispielsweise genutzt werden, um ein besseres
Teillastverhalten und eine bessere Teillasteffizienz zu erreichen, indem bspw. eine Phase bei geringer Leistung abgeschaltet wird. Ferner können die beiden Phasen zeitlich gegeneinander versetzt schalten, um die Stromwelligkeit zu verringern. Alternativ kann auch jede Phase eine eigene PWM erhalten, die auch eine eigene Schaltfrequenz haben kann, um ein Gesamtemissionsspektrum besser an das Zielspektrum anzupassen.
In Figur 4 werden beispielhafte Verzerrungsspektren 410, 420, 430, 440 gezeigt, bei denen die Verzerrungsspektren 410 und 420 aus dem Stand der Technik und die Verzerrungsspektren 430 und 440 durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entstanden sind. Jeweils nach oben ist eine Amplitude 404 in einer beliebigen, aber für alle vier Verzerrungsspektren gleichen Einheit, und nach rechts eine Frequenz 402 in kHz aufgetragen. Das Verzerrungsspektrum 410 zeigt drei bei konventioneller
Pulsweitenmodulation entstehende harmonische Oberschwingungen 412. Deren
Amplitude 404, in einer beliebigen Einheit aufgetragen, erstreckt sich bis zu einem Zahlenwert von fast 200. Bei dem Verzerrungsspektrum 420 wurde eine konventionelle spektrale Gauß-Verbreiterung der im Verzerrungsspektrum 410 gezeigten harmonischen Oberschwingungen emuliert. Zu beachten ist, dass hier und in den weiteren
Verzerrungsspektren 430 und 440 die für sämtliche Normen, bspw. CISPR, und auch für sensitive Systeme zentrale Größe einer maximalen Leistungsdichte gegenüber einer konventionellen PWM mit festem Takt, gezeigt in Verzerrungsspektrum 410, mit einem Zahlenwert von unter 15 deutlich geringer ausfällt, was sich näherungsweise auch dadurch bedingt, dass je größer die Bandbreite ist, desto geringer eine Spitze der Leistungsdichte ausfällt. In Verzerrungsspektrum 430 wurden als Zielspektrum 432 zwei ineinander laufende Gauß-Kurven mit unterschiedlicher Breite als Beispiel für einen komplizierten Verlauf vorgegeben. Ein durch eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens resultierendes Spektrum 434 kann das vorgegebene Zielspektrum sehr gut wiedergeben. Vom Zielspektrum abweichend entstandene höherfrequente Anteile, sichtbar ab 400 kHz, haben einen Amplitudenwert von nur noch unter 5. Auch das in Verzerrungsspektrum 440 vorgegebene Zielspektrum 442 wird durch das durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkte Spektrum 444 sehr gut wiedergegeben.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung einer Leistungselektronik (100, 200, 300), bei dem die Leistungselektronik (100, 200, 300) mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter (120, 243, 244, 343, 344) umfasst und gemäß Pulsweitenmodulation durch eine erste Steuereinheit (110, 230) gesteuert wird, wobei die Pulsweitenmodulation gemäß einem dynamisch variierten Taktsignal (236) ausgeführt wird und wobei das zu einem Zeitpunkt jeweilige Taktsignal durch eine zweite Steuereinheit (210) unter Verwendung eines vorgegebenen Zielspektrums (102) berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem jeweils zwei Leistungshalbleiterschalter (243, 244, 343, 344) der Leistungselektronik (200, 300) als jeweils eine Halbrücke zur Ansteuerung einer Phase eines Elektromotors gewählt werden.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein Takt der zweiten Steuereinheit (210) unabhängig vom Taktsignal (236) der ersten Steuereinheit (230) gewählt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als Taktgeber zur Erzeugung des Taktsignals (236) für die Pulsweitenmodulation ein spannungsgesteuerter
Oszillator (110, 220) gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der zur Erzeugung des Taktsignals der Pulsweitenmodulation verwendete spannungsgesteuerte Oszillator (110, 220) mit einer analog erzeugten Spannung angesteuert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der zur Erzeugung des Taktsignals der Pulsweitenmodulation verwendete spannungsgesteuerte Oszillator (110, 220) mit einem Digitalsignal (214) und einem Tiefpassfilter angesteuert wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine Variation des jeweiligen Taktsignals (236) der Pulsweitenmodulation auf einem Zufallsprinzip, auf einem pseudozufälligen Prinzip oder aufgrund einer vorgegebenen Zahlensequenz (114) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das vorgegebene Zielspektrum (102) gemäß Grenzwerten aus Normen zur elektromagnetischen
Verträglichkeit gebildet wird.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem durch mindestens eine Lücke in dem vorgegebenen Zielspektrum der störungsfreie Betrieb weiterer in einem Einflussbereich der Leistungselektronik vorhandener Elektroniken gewährleistet wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Zielspektrum (102) an einem jeweiligen Vielfachen einer Auswahl von Vielfachen einer dem jeweiligen
Taktsignal entsprechenden Frequenz verringert wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Zielspektrum (102) einer inversen Faltung mit einer Frequenztransformierten einer Schaltfunktion der Leistungshalbleiterschalter (120, 243, 244, 343, 344) unterzogen wird.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zum Betrieb der Leistungshalbleiterschalter (120, 243, 244, 343, 344) ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke gewählt wird.
13. System zu einer Steuerung einer Leistungselektronik (100, 200, 300), welches mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter (120, 243, 244, 343, 344), eine erste Steuereinheit (110, 230) zur Steuerung der mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter (120, 243, 244, 343, 344) durch Pulsweitenmodulation, einen Taktgeber (110) und eine zweite Steuereinheit (210) zur Berechnung eines Taktes (236), nach dem die Pulsweitenmodulation ausgeführt wird, aufweist, und dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche auszuführen.
14. System nach Anspruch 13, bei dem der Taktgeber (110) ein spannungsgesteuerter Oszillator (220) ist.
15. System nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem die zweite Steuereinheit (210) ein MikroController ist.
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