BE1022933B1

BE1022933B1 - Werkwijze en systeem voor het berekenen van modelparameters voor een te modelleren condensator

Info

Publication number: BE1022933B1
Application number: BE2014/5055A
Authority: BE
Inventors: Mike Irena Georges Wens; Jef Thoné
Original assignee: Mindcet Bvba
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-10-20
Also published as: BE1022933A1; EP3018813A1; EP3018813B1; US10262091B2; US20160132625A1

Abstract

Werkwijze voor het berekenen van modelparameters voor een te modelleren condensator, welke werkwijze de volgende stappen omvat: het inbouwen van de te modelleren condensator in een DC naar DC omvormer met ten minste een eerste schakelelement; het aansluiten van een resistieve last tussen de uitgangsklemmen; het aanleggen van een ingangsspanning aan de ingangsklemmen van de omvormer; het aansturen van het eerste schakelelement volgens een frequentie en bedrijfscyclus voor het verkrijgen van een periodiek in de tijd varierende stroom door de te modelleren condensator; het meten van ten minste een eerste grootheid die representatief is voor de stroom door de condensator en van ten minste een tweede grootheid die representatief is voor de spanning over de condensator; het op basis van de gemeten eerste en tweede grootheid bepalen van ten minste een stroomwaarde voor de stroom door de condensator en van ten minste een spanningswaarde voor de spanning over de condensator.

Description

Werkwijze en systeem voor het berekenen van modelparameters voor een te modelleren condensator

Vakgebied

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en een systeem voor het berekenen van modelparameters voor een te modelleren condensator.

Achtergrond

De eigenschappen van een condensator zijn afhankelijk van de aangelegde spanning over de condensator en/of de aangelegde stroom doorheen de condensator, en zijn in het bijzonder afhankelijk van de amplitude, frequentie en golfvorm van deze signalen. Een bekende techniek voor het meten van een condensator gebruikt een zogenaamde LCR meter. In een LCR meter wordt als signaalbron een sinusoïdale golf gebruikt.

Wanneer een condensator gebruikt wordt in een schakeling, zijn de signalen vaak geen sinusoïdale golven maar eerder blokgolven of zaagtanden en kunnen hoge stromen en/of spanningen optreden. In dergelijke omstandigheden leert de praktijk dat een LCR meter geen goede waarden oplevert voor het accuraat modelleren van de condensator.

Samenvatting van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft als doel een systeem en werkwijze van het in de aanhef genoemde type te verschaffen waarmee een condensator op een in de praktijk goed uitvoerbare en accurate manier gemodelleerd kan worden in een breed bereik, dit wil zeggen een systeem en werkwijze waarmee modelparameters, zoals de capaciteit, en de verliezen en niet-lineariteiten van een condensator voor een breed toepassingsbereik gemodelleerd kunnen worden.

Volgens een eerste aspect heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het berekenen van modelparameters voor een te modelleren condensator. De werkwijze omvat de volgende stappen: het inbouwen van de te modelleren condensator in een DC naar DC omvormer met ten minste een eerste schakelelement; welke DC naar DC omvormer ingangsklemmen en uitgangsklemmen heeft; het aansluiten van een resistieve last tussen de uitgangsklemmen van de DC naar DC omvormer; het aanleggen van een ingangsspanning aan de ingangsklemmen van de DC naar DC omvormer; het aansturen van het eerste schakelelement volgens een frequentie en bedrijfscyclus (duty cycle) voor het verkrijgen van een periodiek in de tijd variërende stroom door de te modelleren condensator, welke stroom ten minste gedurende een deel van een periode afhankelijk is van de ingangsspanning; het meten van ten minste een eerste grootheid die representatief is voor de stroom door de condensator, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode; het meten van ten minste een tweede grootheid die representatief is voor de spanning over de condensator, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode; het op basis van de gemeten eerste grootheid bepalen van ten minste één stroomwaarde voor de stroom door de condensator; het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste één spanningswaarde voor de spanning over de condensator; het herhalen van de hierboven genoemde stappen voor ten minste één van: een verschillende ingangsspanning, een verschillende frequentie, een verschillende bedrijfscyclus, een verschillende resistieve last; het berekenen van modelparameters van de condensator op basis van de gemeten grootheden. Bij voorkeur bestrijken de opeenvolgende tijdstippen in hoofdzaak een volledige periode.

Door het inbouwen van een condensator in een DC naar DC omvormer wordt een realistische werkomgeving van de condensator gecreëerd. Verder laat een dergelijke werkomgeving toe om een aantal ingangsparameters zoals de ingangsspanning, de frequentie, de bedrijfscyclus (duty cycle), en de weerstandswaarde van de last te variëren al naargelang het werkbereik waarover men de condensator wenst te karakteriseren. Verder kan door gebruik te maken van opeenvolgende metingen een nauwkeurig resultaat verkregen worden.

Bij voorkeur omvatten de modelparameters een capaciteit en ten minste één van de volgende: een parasitaire inductantie bedoeld om in serie met de capaciteit geschakeld te zijn, een parasitaire weerstand bedoeld om in serie met de capaciteit geschakeld te zijn, en een verliesvermogen. Daarnaast kunnen de modelparameters ook een lekweerstand omvatten die in het model in parallel wordt geschakeld met de serieschakeling van de capaciteit, de parasitaire inductantie, en de parasitaire weerstand.

Bij voorkeur omvat de werkwijze verder: het meten van een grootheid die representatief is voor de stroom door de resistieve last, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode.

In een voorkeursuitvoeringsvorm omvat de DC naar DC omvormer een spoel en een tweede schakelelement, welke zodanig aangebracht zijn dat in de spoel, tijdens een eerste stand van het eerste schakelelement de stroom in de spoel wordt opgebouwd, en dat in de spoel, in een tweede stand van het eerste schakelelement, de stroom in de spoel wordt afgebouwd. In een dergelijke uitvoering kan men in plaats van of bijkomend aan het meten van de stroom door de resistieve last, ook een grootheid die representatief is voor de stroom door de spoel, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode, meten. Door het voorzien van een spoel in de DC-DC omvormer worden stroompieken veroorzaakt tijdens het schakelen van het eerste schakelelement, welke het mogelijk maken om met name de parasitaire weerstand en de parasitaire inductantie goed te karakteriseren. De spoel is bijvoorbeeld een boost spoel die geladen wordt tijdens het ontladen van de condensator in de resistieve last.

In een voorkeursuitvoeringsvorm is de condensator in parallel met de resistieve last geschakeld. Op die manier zal de condensator zich in een eerste of tweede stand van de schakelaar ten minste gedeeltelijk ontladen in de resistieve last, waardoor het karakteriseren van met name de capaciteit van de condensator eenvoudig kan gebeuren. Het tweede schakelelement, bijvoorbeeld een diode, schakelt bij voorkeur in hoofdzaak synchroon met het eerste schakelmoment.

Bij voorkeur is de DC-DC omvormer ingericht om ten minste één van een boost omvormer gedrag en een buck omvormer gedrag te vertonen. Op die manier zal de spanning over een spoel van de DC naar DC omvormer in hoofdzaak een blokvorm vertonen (boost gedrag) of een in hoofdzaak driehoekig verloop (buck gedrag) vertonen. Beide spanningsverlopen laten een goede karakterisering van de condensator toe. De DC naar DC omvormer is bijvoorbeeld een klassieke boost omvormer met een boost spoel, maar kan ook één van de volgende zijn: buck omvormer, buck-boost omvormer, non-inverting buck-boost omvormer, een sepic (Single-ended primary-inductor converter) omvormer, een omgekeerde sepic omvormer, een cuk omvormer, een resonante omvormer, een push-pull omvormer, een fly-back omvormer, full bridge omvormer.

Volgens een voorbeelduitvoeringsvorm omvat de werkwijze: het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste een eerste en tweede spanningswaarde voor de spanning over de condensator op respectievelijk een eerste en een tweede tijdstip (tj, t2) van de opeenvolgende tijdstippen, welke eerst en tweede tijdstip bij voorkeur gekozen zijn tijdens het ontladen van de condensator in de resistieve last; en het berekenen van de capaciteit van de condensator op basis van de ten minste de eerste en tweede spanningswaarde, het tijdsverschil tussen het eerste en tweede tijdstip (ti, t2), en de weerstand van de resistieve last.

Volgens een voorbeelduitvoeringsvorm wordt het verliesvermogen berekend als een integraal van het product van de spanning over de condensator en de stroom door de condensator, op basis van de metingen in de opeenvolgende tijdstippen van de eerste en tweede grootheid, waarbij de opeenvolgende tijdstippen bij voorkeur in hoofdzaak een volledige periode bestrijken.

Volgens een voorbeelduitvoeringsvorm omvat de werkwijze: het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste een derde en vierde spanningswaarde voor de spanning over de condensator op respectievelijk een derde en een vierde tijdstip (t3, t4) van de opeenvolgende tijdstippen van het genoemde deel van de periode; welke derde en vierde tijdstip gelegen zijn tijdens een transitieperiode tijdens dewelke het eerste schakelelement schakelt; het berekenen van de parasitaire inductantie op basis van ten minste de derde en vierde spanningswaarde. Volgens een voorbeelduitvoeringsvorm wordt de parasitaire inductantie (LESl) berekend wordt als

Lesl = abs(U4 - U3) ttrans / (Ιουτ + II) waarbij U4 en U3 respectievelijk de derde en vierde spanningswaarde zijn, tnans de transitieperiode is, Iout de gemiddelde stroom door de resistieve last is tijdens de transitieperiode, en IL de maximale of minimale ingangsstroom in de DC-DC omvormer is al naargelang de condensator omschakelt van ontladen naar laden of omgekeerd; waarbij het derde tijdstip (t3) gekozen is als een tijdstip waarvoor de spanningswaarde maximaal of minimaal is al naargelang de condensator omschakelt van ontladen naar laden of omgekeerd, en waarbij het vierde tijdstip (t4) overeenstemt met het einde van de transitieperiode.

Volgens een voorbeelduitvoeringsvorm omvat de werkwijze: het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste twee spanningswaarden voor de spanning over de condensator op respectievelijk een tweede en een vierde tijdstip (t2, t4) van de opeenvolgende tijdstippen van het genoemde deel van de periode; welk tweede en vierde tijdstip gelegen zijn tijdens een transitieperiode tijdens dewelke het eerste schakelelement schakelt; en het berekenen van de parasitaire weerstand op basis van ten minste de twee spanningswaarden. Volgens een voorbeelduitvoeringsvorm wordt de parasitaire weerstand (REsr) berekend als

Resr = abs(U4 — U2) / (Iout + II) waarbij U4 en U2 respectievelijk de twee spanningswaarden op het vierde en tweede tijdstip (t4, t2) zijn, Iout de gemiddelde stroom door de resistieve last is tijdens de transitieperiode, en IL de maximale of minimale ingangsstroom in de DC-DC omvormer is al naargelang de condensator omschakelt van ontladen naar laden of omgekeerd; waarbij het tweede tijdstip (t2) overeenstemt met het begin van de transitieperiode, en waarbij het vierde tijdstip (t4) overeenstemt met het einde van de transitieperiode.

In een voorkeursuitvoeringsvorm omvat het genoemde deel van de periode een eerste deel omvat waarin de condensator wordt ontladen in de resistieve last, en een tweede deel waarin de condensator wordt opgeladen via de DC-DC omvormer.

Volgens een tweede aspect van de uitvinding wordt een computerprogramma verschaft met computerinstructies voor het uitvoeren van ten minste de berekeningsstappen van de werkwijze van één der voorgaande uitvoeringsvormen. Volgens nog een ander aspect wordt een opslagmedium verschaft waarop computerinstructies zijn opgeslagen voor het uitvoeren van ten minste de berekeningsstappen van de werkwijze van één der voorgaande uitvoeringsvormen.

Volgens een derde aspect van de uitvinding wordt een systeem verschaft voor het berekenen van modelparameters voor ten minste één te modelleren spoel, welk systeem omvat: een DC naar DC omvormer met ten minste een eerste schakelelement en met een ingebouwde te modelleren condensator; welke DC naar DC omvormer ingangsklemmen en uitgangsklemmen heeft; een resistieve last tussen de uitgangsklemmen van de DC naar DC omvormer; een spanningsbron geschakeld voor het verschaffen van een ingangsspanning aan de ingangsklemmen van de omvormer; sturingsmiddelen voor het aansturen van het eerste schakelelement volgens een frequentie en bedrijfscyclus (duty cycle) voor het verkrijgen van een periodiek in de tijd variërende stroom door de te modelleren condensator, welke stroom ten minste gedurende een deel van een periode afhankelijk is van de ingangsspanning; eerste meetmiddelen voor het meten van ten minste een eerste grootheid die representatief is voor de stroom door de condensator, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode; tweede meetmiddelen voor het meten van ten minste een tweede grootheid die representatief is voor de spanning over de condensator, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode; computermiddelen voor het op basis van de gemeten eerste grootheid bepalen van ten minste één stroomwaarde voor de stroom door de condensator; voor het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste één spanningswaarde voor de spanning over de condensator; en voor het berekenen van modelparameters van de condensator op basis van de bepaalde spanningswaarden.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm zijn de computermiddelen verder ingericht voor het berekenen van een capaciteit en ten minste één van de volgende: een parasitaire inductantie bedoeld om in serie met de capaciteit geschakeld te zijn, een parasitaire weerstand bedoeld om in serie met de capaciteit geschakeld te zijn, en een verliesvermogen.

Bij voorkeur omvat het systeem verder: meetmiddelen voor het meten van een grootheid die representatief is voor de stroom door de resistieve last, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van het systeem omvat de DC naar DC omvormer een spoel en een tweede schakelelement, welke zodanig aangebracht zijn dat in de spoel, tijdens een eerste stand van het eerste schakelelement de stroom in de spoel wordt opgebouwd, en dat in de spoel, in een tweede stand van het eerste schakelelement, de stroom in de spoel wordt afgebouwd. In een dergelijke uitvoering kan men in plaats van of bijkomend aan de meetmiddelen voor het meten van de stroom door de resistieve last, ook meetmiddelen voorzien voor het meten van een grootheid die representatief is voor de stroom door de spoel, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode, meten. Bij voorkeur is de condensator in parallel met de resistieve last geschakeld. Bij voorkeur is de DC-DC omvormer van het systeem ingericht om ten minste één van een boost omvormer gedrag en een buck omvormer gedrag te vertonen.

Volgens een voorbeelduitvoeringsvorm zijn de computermiddelen ingericht voor: het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste een eerste en tweede spanningswaarde voor de spanning over de condensator op respectievelijk een eerste en een tweede tijdstip (t], t2) van de opeenvolgende tijdstippen, welke eerst en tweede tijdstip bij voorkeur gekozen zijn tijdens het ontladen van de condensator in de resistieve last; en het berekenen van de capaciteit van de condensator op basis van de ten minste de eerste en tweede spanningswaarde, het tijdsverschil tussen het eerste en tweede tijdstip (t1; t2), en de weerstand van de resistieve last. Volgens een verdere voorbeelduitvoeringsvorm zijn de computermiddelen ingericht om het verliesvermogen te berekenen als een integraal van het product van de spanning over de condensator en de stroom door de condensator, op basis van de metingen in de opeenvolgende tijdstippen van de eerste en tweede grootheid, waarbij de opeenvolgende tijdstippen bij voorkeur in hoofdzaak een volledige periode bestrijken.

Volgens een voorbeelduitvoeringsvorm zijn de computermiddelen ingericht voor: het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste een derde en vierde spanningswaarde voor de spanning over de condensator op respectievelijk een derde en een vierde tijdstip (t3, t4) van de opeenvolgende tijdstippen van het genoemde deel van de periode; welke derde en vierde tijdstip gelegen zijn tijdens een transitieperiode tijdens dewelke het eerste schakelelement schakelt; het berekenen van de parasitaire inductantie op basis van ten minste de derde en vierde spanningswaarde. Volgens een voorbeelduitvoeringsvorm wordt de parasitaire inductantie (LESl) berekend wordt als

LeSL = abs(U4 — U3) ttrans / (loUT + II) waarbij U4 en U3 respectievelijk de derde en vierde spanningswaarde zijn, t^ns de transitieperiode is, Iout de gemiddelde stroom door de resistieve last is tijdens de transitieperiode, en IL de maximale of minimale ingangsstroom in de DC-DC omvormer is al naargelang de condensator omschakelt van ontladen naar laden of omgekeerd; waarbij het derde tijdstip (t3) gekozen is als een tijdstip waarvoor de spanningswaarde maximaal of minimaal is al naargelang de condensator omschakelt van ontladen naar laden of omgekeerd, en waarbij het vierde tijdstip (t4) overeenstemt met het einde van de transitieperiode.

Volgens een voorbeelduitvoeringsvorm zijn de computermiddelen ingericht voor: het op basis van de genieten tweede grootheid bepalen van ten minste twee spanningswaarden voor de spanning over de condensator op respectievelijk een tweede en een vierde tijdstip (t2, t4) van de opeenvolgende tijdstippen van het genoemde deel van de periode; welk tweede en vierde tijdstip gelegen zijn tijdens een transitieperiode tijdens dewelke het eerste schakelelement schakelt; en het berekenen van de parasitaire weerstand op basis van ten minste de twee spanningswaarden. Volgens een voorbeelduitvoeringsvorm wordt de parasitaire weerstand (Resr) berekend als

Resr = abs(U4 — U2) / (Ιουτ + II) waarbij U4 en U2 respectievelijk de twee spanningswaarden op het vierde en tweede tijdstip (t4, t2) zijn, Ιουτ de gemiddelde stroom door de resistieve last is tijdens de transitieperiode, en IL de maximale of minimale ingangsstroom in de DC-DC omvormer is al naargelang de condensator omschakelt van ontladen naar laden of omgekeerd; waarbij het tweede tijdstip (t2) overeenstemt met het begin van de transitieperiode, en waarbij het vierde tijdstip (t4) overeenstemt met het einde van de transitieperiode.

Volgens een vierde aspect heeft de uitvinding betrekking op een model voor een condensator berekend volgens de werkwijze van één van de hierboven beschreven uitvoeringsvormen of gebruikmakend van een systeem volgens één van de hierboven beschreven uitvoeringsvormen.

Korte figuurbeschriiving

De uitvinding zal nader toegelicht worden aan de hand van een aantal geenszins beperkende uitvoeringsvoorbeelden van de werkwijze en het systeem volgens de uitvinding met verwijzing naar de tekeningen in bijlage, waarin:

Figuur 1 een schematisch aanzicht van een uitvoeringsvorm van een systeem volgens de uitvinding is;

Figuur 2 een stroomschema ter illustratie van de meetstappen van een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is;

Figuur 3 een model voor een condensator illustreert;

Figuur 4 een eerste uitvoeringsvorm van een meetopstelling volgens de uitvinding toont, waarin als DC/DC omvormer een boost omvormer wordt gebruikt;

Figuur 5 een grafiek is die schematisch de stroom iL (t) door de spoel Lboost, de spanning uL (t) over de spoel Lboost, de stroom ic (t) door de condensator C, en de spanning uc (t) over de condensator C, toont, voor de uitvoeringsvorm van figuur 4;

Figuren 5A en 5B schematische detailaanzichten van de grafiek van figuur 5 tonen;

Figuur 6-21 andere mogelijke uitvoeringsvormen van de meetopstelling tonen.

Gedetailleerde beschrijving van uitvoeringsvormen

Een eerste uitvoeringsvorm van een systeem en werkwijze volgens de uitvinding zal nu geïllustreerd worden aan de hand van figuren 1 en 2. Het systeem omvat een DC naar DC omvormer 1 met een eerste schakelelement 2. De te modelleren condensator 3 is toegevoegd aan de DC naar DC omvormer 1. De omvormer 1 heeft ingangsklemmen 4a, 4b en uitgangsklemmen 5a, 5b. Tussen de uitgangsklemmen 5a, 5b is de condensator 3 in parallel met een resistieve last 9 met een instelbare weerstand RL geschakeld. Verder is een instelbare spanningsbron 7 voorzien voor het verschaffen van een ingangsspanning Uin aan de ingangsklemmen 4a, 4b van de omvormer. Er zijn niet geïllustreerde sturingsmiddelen voorzien voor het verschaffen van een signaal Φ voor het aansturen van het eerste schakelelement 2 met een frequentie fsw en een bedrijfscyclus (duty cycle) δ. Verder zijn meetmiddelen 8a, 8b, 8c voorzien voor het meten van de spanning uc over de condensator, de stroom ic door de condensator, de spanning uout over de last Rl, en de stroom ΐ0υτ door de last RL. Merk op dat het niet noodzakelijk is om uout te meten aangezien deze in theorie gelijk is aan uc. Echter ter controle is het voordelig om ook uout te meten. De meetmiddelen 8a, 8b zijn bij voorkeur ingericht om de spanning over de condensator Uc(t) en de stroom door de condensator ic(t) te meten op opeenvolgende tijdstippen die een aantal periodes T=l/fsw bestrijken. Merk op dat het mogelijk is dat de meetmiddelen 8a, 8b niet rechtstreeks uc(t) en ic(t) meten, maar andere grootheden meten die representatief zijn voor respectievelijk uc en ic. Verder is een computermiddel 9 voorzien voor het berekenen van modelparameters van de condesator C, zoals PLoss, CTest, Lesl, Resr, Rieak·

Na het bouwen van de meetopstelling van figuur 1, dienen de grenzen bepaald te worden voor de ingangsparameters Uin, fsw, δ en RL om de meetruimte te definiëren, zie stap 20 van figuur 2. In een voigeinde stap 21 wordt een waarde ingesteld voor Ujn, fsw en δ op basis van de gedefinieerde meetruimte, en in een tweede stap 22 wordt de weerstand RL van de last ingesteld. Vervolgens wordt geverifieerd of de DC-DC omvormerschakeling werkzaam is in een discontinue stroommodus (Discontinuous Current Mode, DCM) of in een continue stroommodus (Continuous Current Mode, CCM). In de in figuur 2 geïllustreerde uitvoering worden enkel metingen verricht in de CCM modus. Indien vastgesteld wordt dat de schakeling zich in een DCM modus bevindt, worden de ingangsparameters aangepast in stappen 21 en/of 22. Merk echter op dat het ook mogelijk is om de werkwijze volgens de uitvinding toe te passen wanneer de omvormer zich in een DCM modus bevindt.

Na het meten van uL, h, ΐουτ, u0ut in stap 24, worden de ingangsparameters aangepast in stappen 21 en/of 22. De vakman zal begrijpen dat men hier op vele verschillende manieren tewerk kan gaan en bijvoorbeeld eerst de ingangsspanning Uin kan variëren, terwijl de andere ingangsparameters fsw, δ en RL constant worden gehouden, waarna men fsw en/of δ kan variëren om ten slotte RL te variëren. Andere sequenties vallen eveneens binnen het kader van de uitvinding. De gemeten waarden worden in een stap 25 aangewend voor het berekenen van modelparameters van de condensator C, zoals Ploss, CTEst, LESl, Resr, Rieak- Figuur 3 illustreert een mogelijk model voor de condensator dat opgebouwd is uit een paralellelschakeling van een verliesweerstand Rieak, en van een serieschakeling van een capaciteit CTEst, een parasitaire inductantie LESl, een parasitaire weerstand RESr.

Volgens een eerste variant die geïllustreerd is in figuur 4, is de DC naar DC omvormer een boost omvormer met een spoel 10 (Lboost), een ingangscondensator 11 (Cdec), een eerste schakelelement 2, en een gekoppeld tweede schakelelement 12 dat in serie geschakeld is met de spoel 10. De spoel 10 is geschakeld tussen een eerste ingangsklem 4a en het tweede schakelelement 12. Het eerste schakelelement 2 is geschakeld tussen een tweede ingangsklem 4b en de verbinding tussen de spoel 10 en het tweede schakelelement 12. De andere klem van het tweede schakelelement 12 is verbonden met een uitgangsklem 5a. Een te modelleren condensator 3 (C) wordt ingevoegd tussen de uitgangsklemmen 5a en 5b, in parallel met een resistieve last RL.

Voor het meten van de stroom ic door de condensator 3 zijn meetmiddelen 8a voorzien die in het voorbeeld van figuur 4 bestaan uit een meettransformator Tr met een primaire wikkeling die in serie geschakeld is met de condensator 3, en een oscilloscoop voor het meten van de stroom door de secondaire wikkeling van Tr. Voor het meten van de spanning uc over de condensator 3 zijn meetmiddelen 8b voorzien. Verder zijn meetmiddelen 8c, 8d voorzien voor het meten van de stroom Iout (door middel van een kleine weerstand Rsen in serie met de resistieve last 9) en de spanning U0ut- De resistieve last 9 is bij voorkeur in serie geschakeld met een “choke” spoel voor het blokkeren van hoogfrequente AC stromen, terwijl laagfrequente en DC stromen worden doorgelaten. Volgens een variant kunnen, in plaats van of bijkomend aan meetmiddelen 8d, ook meetmiddelen (niet getoond) zijn voorzien voor het meten van de stroom iL door de spoel 10 en van de spanning uL over de spoel 10.

Figuur 5 illustreert schematisch typische meetresultaten voor iL, uL, ic en uc in functie van de tijd.

In deze schematische grafiek is het stroomverloop iL lineair voorgesteld, terwijl de vakman begrijpt dat dit verloop typisch exponentieel is. Verder is het spanningsverloop uL schematisch als een blokgolf voorgesteld, en begrijpt de vakman dat de spanning over de spoel Lboost niet helemaal constant is tijdens het laden (ton, schakelaar SW1 dicht en SW2 open) en ontladen (torf, schakelaar SW1 open en SW2 dicht) van de spoel. De stroom iL door de spoel Lboost varieert tussen een minimumwaarde ILmin en een maximumwaarde IEmax. Tijdens het laden is de spanning over de spoel uL gelijk aan Uin, en tijdens het ontladen is uL gelijk aan U;n - Uout, waarbij uout de spanning over de last 9 is.

Voor de uitvoeringsvorm van figuur 5 kan het verliesvermogen berekend worden aan de hand van de volgende formule:

waarbij T de periode (T = ton + W = 1/fsw), ic(t) de gemeten stroom door de condensator en Uc(t) de gemeten spanning over de condensator in opeenvolgende tijdstippen t.

De capaciteit CTEst kan berekend worden op basis van ten minste één eerste en tweede spanningswaarde voor de spanning uc over de condensator op respectievelijk een eerste en een tweede tijdstip (fi, t2), bijvoorbeeld bij het begin en het einde van het ontladen van de condensator 3 in de resistieve last 9, i.e. bij het beging en het einde van ton (ton = t2 - fi), zie figuur 5 en figuur 5A:

De parasitaire inductantie LESl kan berekend worden op basis van ten minste een derde en vierde spanningswaarde voor de spanning over de condensator op respectievelijk een derde en een vierde tijdstip t3, t4. Het derde en vierde tijdstip zijn bij voorkeur gekozen bij het begin en het einde van een transitieperiode na het schakelen van de eerste schakelaar 2 (SW1). Indien men een transitieperiode van ton naar t0ff gebruikt, dan valt t3 bij voorkeur samen met de hoogste waarde voor uc tijdens deze transitieperiode, en t4 met het minimum van uc voordat de condensator zich terug begint op te laden, zie figuur 5A. De parasitaire inductantie (LESl) kan dan berekend worden als LESL UEsE*t(rans Oom iLmax) waarbij ttrans de duur van de schakeltransitieperiode van een reële schakelaar SW1 is bij de overgang van ton naar t0ff, iLmax de maximale waarde van de stroom iL door de boost spoel 10 is, en Ιουτ de gemiddelde waarde van de stroom ï0ut gedurende de schakeltransitieperiode is. In het voorbeeld van figuur 5A is ttrans = t4 -12, en is UEsl = uc(t3) - uc(t4).

Indien men een transitieperiode van toff naar ton gebruikt, dan valt t3’ bij voorkeur samen met de laagste waarde voor uc tijdens deze transitieperiode, en t4’ met het maximum van uc voordat de condensator zich terug begint op te ontladen, zie figuur 5B. De parasitaire inductantie (LESl) kan dan berekend worden als LEsl = UESL*t trans / (loUT + iLmin) waarbij t^ns’ de duur van de schakeltransitieperiode van een reële schakelaar SW1 is bij de overgang van ton naar t0ff, en ILmin de minimale waarde van de stroom iL door de boost spoel 10 is, en Ιουτ de gemiddelde waarde van de stroom ï0ut gedurende de schakeltransitieperiode ttrans’ is. In het voorbeeld van figuur 5B is ttrans’ = t4’ -t2’, en is UESl = Uc(t4’) - uc(t3’).

De parasitaire weerstand REsl kan berekend worden op basis van ten minste de derde en tweede spanningswaarde voor de spanning uc over de condensator op respectievelijk het derde en het tweede tijdstip t3, t2. Indien men een transitieperiode van ton naar t0fr gebruikt, dan valt t3 bij voorkeur samen met de hoogste waarde voor uc tijdens deze transitieperiode, en t2 met het minimum van uc aan het einde van het ontladen, net voor het schakelen, zie figuur 5A. De parasitaire weerstand (REsr) kan dan berekend worden als

ReSR = UeSR / (Ιουτ + iLmax) waarbij ILmax de maximale waarde van de stroom iL door de boost spoel 10 is, en I0ut de gemiddelde waarde van de stroom ΐ0υτ gedurende de schakeltransitieperiode t^™ is. In het voorbeeld van figuur 5A is UESr = uc(t3) - Uc(t2).

Indien men een transitieperiode t^ns’ van toff naar ton gebruikt, dan valt t3’ bij voorkeur samen met de laagste waarde voor Uc tijdens deze transitieperiode, en t2’ met het maximum van uc aan het eind van het laden, net voor het schakelen, zie figuur 5B. De parasitaire weerstand (REsr) kan dan berekend worden als

ReSR = UeSR / (Ιουτ + iLmin) waarbij ILmin de minimale waarde van de stroom iL door de boost spoel 10 is, en I0ut de gemiddelde waarde van de stroom ϊουτ gedurende de schakeltransitieperiode ttrans’. In het voorbeeld van figuur 5B is Uesr = Uc(t2’) — Uc(t3’).

Voor het bepalen van de lekweerstand Rieak kan een derde schakelelement (niet getoond) voorzien zijn in serie met de condensator 3. Dit derde schakelelement is normaal dicht en heeft geen invloed op de hierboven besproken metingen. Voor het bepalen van de lekweerstand kan de condensator worden opgeladen tot een bepaalde spanning, bijvoorbeeld een spanning Uc(t5) op tijdstip t5. Op t5 opent men dan het derde schakelelement gedurende een periode (t6 -15) en op t6 meet men opnieuw de spanning over de condesator uc(tó). De lekweerstand Rieak kan dan bepaald worden aan de hand van de volgende formule:

Figuren 6-12 illustreren andere varianten van DC-DC omvormers die gebruikt kunnen worden in uitvoeringsvormen van de uitvinding. Figuur 6 is een buck omvormer. In een dergelijke omvormer heeft de stroom ic(t) door de condensator een in hoofdzaak driehoekig verloop. Al naar gelang het type van de te modelleren condensator en/of de toepassingen waarvoor de condensator bedoeld is zal een dergelijke buck omvormer al dan niet de voorkeur genieten boven het gebruik van een boost omvormer.

Figuur 7 is een buck-boost omvormer. In een dergelijke omvormer heeft de stroom ic(t) door de condensator een gelijkaardig verloop aan de stroom ic(t) door de condensator van een boost omvormer. Figuur 8 is een non-inverting buck-boost omvormer. Een dergelijke omvormer zal toelaten dat zowel een in hoofdzaak blokvormig als een in hoofdzaak driehoekig verloop van de stroom ic(t) door de condensator wordt veroorzaakt, waardoor het modelleren nog accurater kan gebeuren.

Figuur 9 is een serie-resonante omvormer. Met een dergelijke omvormer kunnen twee condensatoren Cl en C2 gelijktijdig worden gemodelleerd. Deze omvormer laat toe om zeer scherpe discontinue stroompieken te genereren in C2, en om grote sinusoïdale amplitudes te genereren in Cl, waardoor condensatoren in een groot toepassingsveld kunnen worden gemodelleerd.

Figuur 10 is een fly-back omvormer. De werking hiervan is grotendeels gelijk aan de werking van een boost omvormer met dit verschil dat door de aanwezigheid van een transformator de wikkelverhouding daarvan zodanig kan worden gekozen dat hoge spanningen worden gegenereerd. Een dergelijke omvormer is met name geschikt voor het modelleren van hoogspanningscondensatoren. Figuur 11 is een full bridge omvormer. De werking van deze omvormer is grotendeels gelijk aan de werking van een buck omvormer met dit verschil dat door de aanwezigheid van een transformator de wikkelverhouding daarvan zodanig kan worden gekozen dat hoge spanningen worden gegenereerd. Een dergelijke omvormer is met name geschikt voor het modelleren van hoogspanningscondensatoren.

Figuur 12 is een multi boost omvormer. Figuur 13 is een multi buck omvormer. De omvormers van figuren 12 en 13 laten toe om zeer complexe stroom- en spanningsverlopen te genereren in de condensator C, en om hoge stromen te genereren in de condensator C. Een dergelijke omvormer is met name geschikt voor het modelleren van hoogvermogenscondensatoren.

Figuur 14 is een buck square omvormer. Met een dergelijke omvormer kunnen twee condensatoren Cl en C2 gelijktijdig worden gemodelleerd, waarbij Cl onderhevig is aan een typische boost omvormer werking en C2 aan een typische buck omvormer werking. Figuur 15 is een cuk omvormer. Met een dergelijke omvormer kunnen twee identieke condensatoren C gelijktijdig worden gemodelleerd, waarbij de eerste C onderhevig is aan een typische boost omvormer werking en de tweede C aan een typische buck omvormer werking

Figuur 16 is een sepic (Single-ended primary-inductor converter) omvormer. Met een dergelijke omvormer kunnen twee identieke condensatoren C gelijktijdig worden gemodelleerd, waarbij de eerste C onderhevig is aan een typische buck omvormer werking en de tweede C aan een typische boost omvormer werking . Figuur 17 is een three level omvormer. Met een dergelijke omvormer kunnen twee condensatoren C1 en C2 gelijktijdig worden gemodelleerd, waarbij Cl onderhevig is aan een typische boost omvormer werking en C2 aan een typische buck omvormer werking. Figuur 18 is een omgekeerde sepic omvormer. Met een dergelijke omvormer kunnen twee condensatoren Cl en C2 gelijktijdig worden gemodelleerd, waarbij Cl onderhevig is aan een typische buck omvormer werking en C2 aan een typische boost omvormer werking.

Figuur 19 is een push-pull omvormer. Door de aanwezigheid van een transformator kan de wikkelverhouding daarvan zodanig worden gekozen dat hoge spanningen worden gegenereerd.

Een dergelijke omvormer is met name geschikt voor het modelleren van hoogspanningscondensatoren.

Figuur 20 is een bridge omvormer. Deze omvormer vertoont een gedrag dat min of meer gelijk is aan het gedrag van een buck omvormer. Figuur 21 is een current fed bridge omvormer. Deze omvormer vertoont een gedrag dat min of meer gelijk is aan het gedrag van een boost omvormer.

Aangezien de meet- en berekeningsprincipes analoog zijn aan deze die beschreven werden aan de hand van figuren 1-5, zullen deze niet nader worden toegelicht.

Als voorbeeld van de werkwijze volgens de uitvinding werd een commerciële condensator gemodelleerd met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding. De fabrikant vermeldt als modelparameters CTest= 1 OuF @ 50V, RESR=100m Ohm. Deze condensator werd vervolgens opgemeten met behulp van een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding. De resultaten waren als volgt: CTEst=4.3uF, Resr = 543m Ohm, LESl= 16.4nH @ 50V, 1MHz, Irippie = Icmax - Icmin= 0.5A, duty-cycle = 50%. Dit toont aan dat de bestaande modellen in circuitsimulaties geen goede resultaten zullen opleveren in tegenstelling tot condensatoren die gemodelleerd zijn volgens een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding. Immers, de condensatoren worden nooit gebruikt bij 0 Hz (DC) maar typisch bij significant hogere frequenties.

De uitvinding is niet beperkt tot de hierboven beschreven uitvoeringsvoorbeelden en de vakman zal begrijpen dat vele wijzigingen en modificaties denkbaar zijn binnen het kader van de uitvinding dat enkel bepaald wordt door de hiernavolgende conclusies.

Claims

Conclusies

1. Werkwijze voor het berekenen van modelparameters voor een te modelleren condensator, welke werkwijze de volgende stappen omvat: - het inbouwen van de te modelleren condensator in een DC naar DC omvormer met ten minste een eerste schakelelement; welke DC naar DC omvormer ingangsklemmen en uitgangsklemmen heeft; - het aansluiten van een resistieve last tussen de uitgangsklemmen van de DC naar DC omvormer; - het aanleggen van een ingangsspanning aan de ingangsklemmen van de DC naar DC omvormer; - het aansturen van het eerste schakelelement volgens een frequentie en bedrijfscyclus (duty cycle) voor het verkrijgen van een periodiek in de tijd variërende stroom door de te modelleren condensator, welke stroom ten minste gedurende een deel van een periode afhankelijk is van de ingangsspanning; - het meten van ten minste een eerste grootheid die representatief is voor de stroom door de condensator, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode; - het meten van ten minste een tweede grootheid die representatief is voor de spanning over de condensator, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode; - het op basis van de gemeten eerste grootheid bepalen van ten minste één stroomwaarde voor de stroom door de condensator; - het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste één spanningswaarde voor de spanning over de condensator; - het herhalen van de hierboven genoemde stappen voor ten minste één van: een verschillende ingangsspanning, een verschillende frequentie, een verschillende bedrijfscyclus, een verschillende resistieve last; - het berekenen van modelparameters van de condensator op basis van de gemeten grootheden.
2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de modelparameters een capaciteit enten minste één van de volgende omvat: een parasitaire inductantie bedoeld om in serie met de capaciteit geschakeld te zijn, een parasitaire weerstand bedoeld om in serie met de capaciteit geschakeld te zijn, en een verliesvermogen.
3. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, verder omvattende: het meten van een grootheid die representatief is voor de stroom door de resistieve last, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode.
4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de DC naar DC omvormer een spoel en een tweede schakelelement omvat, welke zodanig aangebracht zijn dat in de spoel, tijdens een eerste stand van het eerste schakelelement de stroom in de spoel wordt opgebouwd, en dat in de spoel, in een tweede stand van het eerste schakelelement, de stroom in de spoel wordt afgebouwd.
5. Werkwijze volgens conclusie 4, verder omvattende: het meten een grootheid die representatief is voor de stroom door de spoel, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode.
6. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de condensator in parallel met de resistieve last wordt geschakeld.
7. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de DC-DC omvormer ingericht is om ten minste één van een boost omvormer gedrag en een buck omvormer gedrag te vertonen.
8. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de modelparameters een capaciteit omvatten, welke werkwijze verder omvat: - het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste een eerste en tweede spanningswaarde voor de spanning over de condensator op respectievelijk een eerste en een tweede tijdstip (ti, t2) van de opeenvolgende tijdstippen, welke eerst en tweede tijdstip gekozen zijn tijdens het ontladen van de condensator in de resistieve last; - het berekenen van de capaciteit van de condensator op basis van de ten minste de eerste en tweede spanningswaarde, het tijdsverschil tussen het eerste en tweede tijdstip (tt, t2) en de weerstand van de resistieve last.
9. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de opeenvolgende tijdstippen in hoofdzaak een volledige periode bestrijken.
10. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de modelparameters een verliesvermogen omvatten, waarbij het verliesvermogen berekend wordt als een integraal van het product van de spanning over de condensator en de stroom door de condensator, op basis van de metingen in de opeenvolgende tijdstippen van de eerste en tweede grootheid, waarbij de opeenvolgende tijdstippen bij voorkeur in hoofdzaak een volledige periode bestrijken.
11. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de modelparameters een parasitaire inductantie omvatten, waarbij de werkwijze verder omvat: het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste een derde en vierde spanningswaarde voor de spanning over de condensator op respectievelijk een derde en een vierde tijdstip (t3, t4) van de opeenvolgende tijdstippen van het genoemde deel van de periode; welke derde en vierde tijdstip gelegen zijn tijdens een transitieperiode tijdens dewelke het eerste schakelelement schakelt; het berekenen van de parasitaire inductantie op basis van ten minste de derde en vierde spanningswaarde.
12. Werkwijze volgens conclusies 11, met het kenmerk, dat de parasitaire inductantie (LEsl) berekend wordt als LeSL = abs(U4 — U3) ttrans / (IouT + II) waarbij U4 en U3 respectievelijk de derde en vierde spanningswaarde zijn, t^s de transitieperiode is, Iout de gemiddelde stroom door de resistieve last is tijdens de transitieperiode, en IL de maximale of minimale ingangsstroom in de DC-DC omvormer is al naargelang de condensator omschakelt van ontladen naar laden of omgekeerd; waarbij het derde tijdstip (t3) gekozen is als een tijdstip waarvoor de spanningswaarde maximaal of minimaal is al naargelang de condensator omschakelt van ontladen naar laden of omgekeerd, en waarbij het vierde tijdstip (t4) overeenstemt met het einde van de transitieperiode.
13. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de modelparameters een parasitaire weerstand omvatten, waarbij de werkwijze verder omvat: het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste twee spanningswaarden voor de spanning over de condensator op respectievelijk een tweede en een vierde tijdstip (t2, t4) van de opeenvolgende tijdstippen van het genoemde deel van de periode; welk tweede en vierde tijdstip gelegen zijn tijdens een transitieperiode tijdens dewelke het eerste schakelelement schakelt; het berekenen van de parasitaire weerstand op basis van ten minste de twee spanningswaarden.
14. Werkwijze volgens conclusies 13, met het kenmerk, dat de parasitaire weerstand (Resr) berekend wordt als Resr = abs(U4 — U2) / (Iout + II) waarbij U4 en U2 respectievelijk de twee spanningswaarden op het vierde en tweede tijdstip (t2, t4) zijn, Iout de gemiddelde stroom door de resistieve last is tijdens de transitieperiode, en IL de maximale of minimale ingangsstroom in de DC-DC omvormer is al naargelang de condensator omschakelt van ontladen naar laden of omgekeerd; waarbij het tweede tijdstip (t2) overeenstemt met het begin van de transitieperiode, en waarbij het vierde tijdstip (t4) overeenstemt met het einde van de transitieperiode.
15. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het genoemde deel van de periode een eerste deel omvat waarin de condensator wordt ontladen in de resistieve last, en dat dit eerste deel een tijdsduur ton heeft, en een tweede deel omvat waarin de condensator wordt opgeladen via de DC-DC omvormer, en dat dit tweede deel een tijdsduur toff heeft.
16. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de DC naar DC omvormer een boost omvormer is.
17. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de DC naar DC omvormer één van de volgende is: buck omvormer, buck-boost omvormer, non-inverting buck-boost omvormer, een sepic (Single-ended primary-inductor converter) omvormer, een omgekeerde sepic omvormer, een cuk omvormer, een resonante omvormer, een push-pull omvormer, een fly-back omvormer, fiill bridge omvormer.
18. Opslagmedium waarop computerinstructies zijn opgeslagen voor het uitvoeren van ten minste de berekeningsstappen van de werkwijze van één der voorgaande conclusies.
19. Systeem voor het berekenen van modelparameters voor ten minste één te modelleren spoel, welk systeem omvat: - een DC naar DC omvormer met ten minste een eerste schakelelement en met een ingebouwde te modelleren condensator; welke DC naar DC omvormer ingangsklemmen en uitgangsklemmen heeft; - een resistieve last tussen de uitgangsklemmen van de DC naar DC omvormer; - een spanningsbron geschakeld voor het verschaffen van een ingangsspanning aan de ingangsklemmen van de omvormer; - sturingsmiddelen voor het aansturen van het eerste schakelelement volgens een frequentie en bedrijfscyclus (duty cycle) voor het verkrijgen van een periodiek in de tijd variërende stroom door de te modelleren condensator, welke stroom ten minste gedurende een deel van een periode afhankelijk is van de ingangsspanning; - eerste meetmiddelen voor het meten van ten minste een eerste grootheid die representatief is voor de stroom door de condensator, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode; - tweede meetmiddelen voor het meten van ten minste een tweede grootheid die representatief is voor de spanning over de condensator, op opeenvolgende tijdstippen van ten minste het genoemde deel van een periode; - computermiddelen voor het op basis van de gemeten eerste grootheid bepalen van ten minste één stroomwaarde voor de stroom door de condensator; voor het op basis van de gemeten tweede grootheid bepalen van ten minste één spanningswaarde voor de spanning over de condensator; en voor het berekenen van modelparameters van de condensator op basis van de bepaalde spanningswaarden.
20. Systeem volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat de computermiddelen verder ingericht zijn voor het berekenen van een capaciteit en ten minste één van de volgende: een parasitaire inductantie bedoeld om in serie met de capaciteit geschakeld te zijn, een parasitaire weerstand bedoeld om in serie met de capaciteit geschakeld te zijn, en een verliesvermogen.
21. Model voor een condensator berekend volgens de werkwijze van één van de conclusies 1 -18 of gebruikmakend van een systeem volgens conclusie 19 of 20.