CN104025440A - 用于变换器的控制装置、变换器和控制方法 - Google Patents

用于变换器的控制装置、变换器和控制方法 Download PDF

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Abstract

用于变换器(14)的控制装置(18)准备用于：从测量设备(34)接收变换器(14)的输出线路(35)的测量信号(SM)并且评估测量信号(SM)，以便产生开关信号(SS)，所述开关信号具有开关频率(fSW)，其中控制装置(18)包括扫描器(36)以用于借助于扫描(120)所接收的测量信号(SM)来产生(120)扫描信号(S扫描)。扫描器(36)准备用于：以扫描频率(f扫描)执行扫描(120)，所述扫描频率低于开关频率(fSW)的三倍。变换器(14)包括根据本发明的控制装置(18)。

Description

用于变换器的控制装置、变换器和控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于变换器的控制装置，其中控制装置准备用于从测量设备接收变换器的输出线路的测量信号并且评估测量信号，以便产生开关信号，所述开关信号具有开关频率，其中控制装置包括扫描器以用于借助于扫描所接收的测量信号来产生扫描信号。当变换器为多相换流器时，输出线路典型地是相线路，所述相线路的输出电流是总的负载电流的一部分，所述负载电流借助于将多个相线路的电流相加得出。开关频率典型地是变换器的开关的开关循环的基本频率(优选最低的基本频率)。
本发明还涉及一种变换器。
此外，本发明涉及一种用于运行变换器的控制方法，其中控制方法包括下述步骤：在考虑输出线路的电状态的情况下产生测量信号；借助于以扫描频率扫描所接收的测量信号来产生扫描信号；评估扫描信号；和产生具有开关频率的开关信号。
背景技术
DE 10 2009 027 307 A1描述一种多相DC/DC变换器。为每个相设有自身的电流传感器，所述电流传感器将电流值提供给变换器控制单元。电流控制单元在考虑参考电流和所接收的电流值的情况下产生用于开关相的选通驱动信号。一个替选的设置方案提出：仅设有一个电流传感器，所述电流传感器测量总的负载电流进而产生负载电流的电流信息信号，所述负载电流从多个相的相加的负载电流中得出。
发明内容
本发明的目的是：提供一种用于变换器的控制装置，所述控制装置与已知的控制装置相比更低成本地制造。此外，一个目的是，提供一种变换器和一种控制方法，所述变换器的运行能够借助可低成本制造的控制装置来执行。
所述目的借助独立权利要求来实现。本发明思想的有利的改进形式是从属权利要求的主题。
根据本发明，通过下述方式改进已知的控制装置：扫描器准备用于以扫描频率执行扫描，所述扫描频率低于开关频率的三倍。由此，对于后面的信号评估，由多个(直接或间接依次的)周期的测量值组成一个示例的周期。通过二次扫描，与在已知的控制装置中相比，在扫描之后评估的信号的带宽和上边界频率较小。由于二次扫描和较小的带宽，对评估所扫描的信号的速度要求较小，并且控制装置能够更低成本地制造。扫描频率能够是平均扫描频率。那么，所述平均扫描频率能够定义成为了确定从测量信号中的测量值的提取时间点而打开扫描器的门电路的、依次的时间上直接相邻的触发信号的时间间隔的平均值的倒数。
扫描器能够准备用于在一定的开关频率的情况下以平均扫描频率执行扫描，其中平均扫描频率除以开关频率的商和开关频率除以平均扫描频率的商都不是整数。当满足上述条件时实现：借助于扫描周期性的信号变化的多个周期来检测多个插值点，进而能够将高频的信号以相应于开关频率与开关频率和扫描频率之间的差之间的关系的时间比例映射成低频信号。当扫描频率高于扫描频率时，差进而时间比例是负的。这表示：然后以时间上镜像的方式进行高频信号的映射。时间上的镜像在评估低频信号时能够借助于交换插值而再次倒转。
开关信号发生器能够准备用于：产生具有开关频率的开关信号，所述开关频率至少为扫描频率的n倍大，其中n等于5/6、21/20、11/10、6/5、2、4、8、16、32、64或者其他的二次幂。通过选择因数n来确定：能够如何快速和准确地复制原始信号。因数也能够确定：控制装置必须是如何有效的。为了理解要指出的是：比开关频率高两倍以上的扫描频率通常绝不满足奈奎斯特准则。因此，负载信号通常不仅包含开关过程的基本频率，而且包含明显更高的频率分量，所述频率分量的信息内容应当保持至后面的评估。这例如能够实现在待评估的信号中识别和评估边沿和死区时间的相对长度。
扫描器能够准备用于：借助依次的触发信号来执行扫描，其中依次的时间上直接相邻的触发信号的时间间距的分布密度函数包括唯一的或多个狄拉克δ函数和/或连续的分布密度函数。借助于以时间上直接相邻的触发器信号(门信号)之间的不同的时间间距进行扫描，能够改进控制装置的噪声谱。
控制装置能够准备用于：从扫描信号中确定至少一个第一类统计值。通过将测量数据减少成少量的有意义的合计值，能够清楚地并且低成本地实现随后的评估步骤和产生开关信号。
至少一个第一类统计值能够包括最大值、最小值、有效值、算术平均值和/或中值。
控制装置能够包括至少一个第一比较器，以便将第一额定值与第一实际值进行比较，所述第一实际值能够从扫描信号中确定，并且以便从比较的结果中确定第一调整变量。例如第一额定值和第一实际值能够是输出电流、输出电压或一个或多个所述变量的谱特征。
控制装置能够包括至少一个第二比较器，以便将第二额定值与第二实际值进行比较，所述第二实际值能够从扫描信号中确定，并且以便从比较的结果中确定第二调整变量。第二额定值和第二实际值也例如能够是输出电流、输出电压或一个或多个所述变量的谱特征。
对扫描信号的评估能够关于输出线路上的输出电流、输出电压或一个或多个所述变量的谱特征来进行。
控制装置能够准备用于：为输出电流的下降沿控制最小的输出电流。输出电流典型地是一个相的输出线路上的电流。
控制装置能够准备用于：为输出电流的上升沿控制输出电流的峰值电流、有效电流、平均电流或其他的特性。在此，输出电流典型地也是一个相的输出线路上的电流。
控制装置能够准备用于：接收至少两个相特定的输出线路的测量信号，扫描所接收的测量信号，产生扫描信号，并且产生开关信号。由此，控制装置能够同时用于两个或更多个相。此外，在控制装置之内相之间的交叉相位配合是可能的，例如用于配合地执行启动循环、用于在故障情况下配合地断开或者用于在正常运行中分配负载或电流、
通过下述方式改进已知的变换器：所述变换器包括至少一个根据本发明的控制装置。由此，上述优点能够用于变换器。
变换器能够包括用于将负载电流分配到多个相上的负载电流分配器。由此，能够(在考虑安全裕度的情况下)充分利用各个相的开关路径的最大能力并且避免各个相的开关路径的耗费的过大尺寸。
已知的用于运行变换器的控制方法通过下述方式来改进：三倍的开关频率大于扫描频率。从中得出的优点在开始已经阐述。
附图说明
下面根据实施例详细阐述本发明，所述实施例在示意图中示出。附图示出：
图1示出具有电能量源、变换器的一个实施方式和电负载的电路的示意方框电路图；
图2示出具有扫描后的电流测量信号的变化、变换器的输出电流的变化和变换器控制装置的开关信号的一个示例的示意时间流程图，
图3示出具有扫描器的依次的时间上直接相邻的触发信号之间的时间间距的示意示出的分布密度函数的一个实施方式的示例；
图4示出负载电流分配器的一个实施方式的示意方框电路图；和
图5示出用于运行变换器的控制方法的一个实施方式的示意流程图。
具体实施方式
在附图中为相应的部件总是应用相同的附图标记。因此，只要从本文中没有另作说明，与附图标记相关的阐述以附图交叉的方式适用。
图1示出电路装置10，所述电路装置具有作为电能量源的电压源12、变换器14和电负载16。变换器能够为单相变换器或多项变换器、是电位隔离的或不是电位隔离的、是单向的或是双向的。电能量源12能够是直流电压源、交流电压源、直流电流源或交流电流源。电负载16除有效电阻分量之外还能够包括电抗分量。变换器14针对第一相包括第一开关SI、第二开关SII、电感L和变换器控制装置18。这两个开关SI、SII是单极的。第一开关SI典型地是半导体开关，例如是MOSFET或者IGBT(具有绝缘的栅极电极的双极型晶体管)。第二开关SII典型地是相同类型的半导体或空载二极管。第一开关SI的第一端子21与电压源12连接；并且第一开关SI的第二端子22与电感L连接。在附图中表明：变换器14针对一个或多个其他的相能够在变换器输入端14a和变换器输出端14b之间包括多个相同构建的电路SK1……SKn。因此，这些电路的运行典型地在间歇运行中以开关循环D、F、B进行，并且在非间歇运行中以开关循环D、F进行(见图2a)，这些开关循环彼此间具有不同的时间偏移。只要没有另作说明，下面的描述阐明用于第一相的变换器控制装置18。所描述的设计能够应用于其他相。
开关信号发生器24(调制器)产生第一开关信号SSI以操作第一开关SI。第一开关信号SSI经由第一控制连接SVI传输给第一开关SI。在所示出的实施例中，开关信号发生器24也产生第二开关信号SSII以操作第二开关SII。第二开关信号SSII经由第二控制连接SII传输给第二开关SII。变换器14能够交替地采用下述三个运行状态D、F、B：接通状态D、空载状态F和备用状态B。
在备用状态B中，开关信号发生器24控制这两个开关SI、SII，使得中断输出电流IL的电流流动。在接通状态D下，开关信号发生器24控制开关SI、SII，使得输出电流IL能够流过第一开关SI，而所述输出电流对于第二开关SII而言是中断的。在空载状态F中，开关信号发生器24控制开关SI、SII，使得输出电流IL能过流过第二开关SII，而所述输出电流对于第一开关SI而言是中断的。在部分负荷运行期间，这三个运行状态D、F、B以下述顺序周期性地交替：接通状态D、空载状态F、备用状态B。在电能量源12和电负载16之间的能量传递的功率小的情况下，接通阶段D、即接通状态D占开关周期的时间份额小。随着变换器输入端14a和变换器输出端14b之间的能量传递的功率增大，接通状态D占开关周期的时间份额增大。对于本领域技术人员而言，对于变换器的在此可应用的开关方案而言已知多种设计方案可能性；这些开关方案在下面不阐述，因为与此相关的细节在此对本发明是不重要的。
变换器控制装置18是调节电路的一部分，所述调节电路具有至少一个第一调节回路，所述第一调节回路包括下述部件：调节路段RS；第一比较器28a以用于执行第一参考变量FGa和第一调节变量RGa之间的比较；第一调节器30a和调整单元24、SI、SII。在附图中示出的实施例中，调节路段RS通过能量源、输入端滤波器(未绘出)、开关、电感L、输出端滤波器(未绘出)和负载形成。调整单元24、SI、SII由开关信号发生器24连同两个开关SI、SII一起形成。空载状态F占开关循环D、F、B的总周期的时间份额用作为第一调整变量SGa。由变换器14输出给电负载16的输出电流IL的最小值min(IL)用作为第一调节变量RGa。借助于用于检测变换器14的一个相的输出线路35上的输出电流IL1的强度的相特定的电流传感器34、扫描器36和后面的电流信号评估装置37来获得第一调节变量RGa。扫描器36和信号评估装置37是变换器控制装置18的部件。第一比较器28a借助于将第一参考变量FGa与第一调节变量RGa进行第一比较来确定第一调节偏差ea。第一调节器30a(例如PID调节器)从第一调节偏差ea的时间变化中确定第一调整变量SGa。
该实施例示出第二调节回路，所述第二调节回路部分地包括与第一调节回路相同的部件24、34、36、37、L、SI、SII。下述部件属于第二调节回路：调节路段RS、第二比较器28b以用于第二参考变量FGb和第二调节变量RGb之间的比较、第二调节器30b和调整单元24、SI、SII。在此，电感L也形成调节路段RS。如在第一调节回路中那样，调整单元24、SI、SII由开关信号发生器24连同两个开关SI、SII一起形成。在第二调节回路中，接通状态D占开关循环D、F、B的总周期的时间份额用作为第二调整变量SGb。通过变换器14进行的能量传递的第二特征值用作为第二调节变量RGb。这例如能够是输出电流IL的最大值、平均值或有效值，所述输出电流由变换器14输出给电负载16。在该实施例中，借助于与第一调节变量RGa相同的电流传感器34、相同的扫描器36和相同的信号评估装置37来获得第二调整变量RGb。借助于选择电路33能够从多个选择可能性(例如平均值的类型)中选择第二调节变量RGb。第二比较器28b借助于将第二参考变量FGb与第二调节变量RGb进行第二比较来确定第二调节偏差eb。第二调节器30b(例如也是PID调节器)从第二调节偏差eb的时间变化中确定第二调整变量SGb。仅峰值电流直接由上升沿控制。全部其他的所计算的值(例如有效值、平均值)是总信号相关的，但是也能够借助上升沿来调整。
图2a示出在接通状态D期间、在空载状态F期间和在备用状态B期间用于接通esI和断开asII变换器14的第一开关SI的第一开关信号SSI的时间变化的示例。在图2a至2d中以虚线绘出运行状态D、F、B的时间段的边界。图2b示出用于接通esII和断开asII变换器14的第二开关SII的第二开关信号SSII的相关的时间变化的示例。图2c示出变换器14的一个相的输出电流IL1的相关的时间变化的示例。在接通状态D中，经过输出线路35的电流IL的强度增大。因此，在接通状态D期间，在输出电流IL的时间变化中构成上升沿38。在空载状态F中，经过输出线路35的电流IL的强度下降。因此，在接通状态F期间在输出电流IL的时间变化中构成下降沿39。图2d示出在借助于扫描器36扫描120之后扫描信号SA的相关的时间变化的一个示例。图2c和2d的点划线示出借助于扫描器36对输出电流IL的扫描方案的一个示例。在图2c、2d中示出的示例中，在每个开关周期期间几乎进行一次对输出电流IL的扫描120，其中与在直接在前面的开关周期(相对于其开始)中相比稍晚地进行在分别直接跟随的开关周期(相对于其开始)之内的扫描120。扫描循环与开关信号SSI、SSII的开关周期不同步。由于扫描循环和开关信号SSI、SSII之间的偏移(Schlupfes)，通过扫描120将一个相的输出电流IL1的强度的时间变化映射成具有类似变化、但是更大的时间比例、即更小的频率fA的扫描信号SA。在(附图中没有明确示出的)替选方案中，第二调整变量SGb能够是预设的参考变量(代替由第二调节器30b来提供)。
在另一个优选的替选方案中，第二调整变量SGb能够由电压调节器40或负载电流分配器42来提供。
图3示出具有扫描器36的依次的时间上直接相邻的触发信号之间的时间间距的分布密度函数H(Tdist)的一个实施方式的示例。在此，平均扫描频率fA定义成为了确定从测量信号SM中的测量值的提取时间点而打开扫描器36的门电路的、依次的时间上直接相邻的触发信号TS的时间间隔Tdist的平均值的倒数。
图4示出负载电流分配电路43的一个实施方式的示意方框电路图，所述负载电流分配电路针对每个相产生这种第二调整变量SGb。在此，变换器14的输出电压U在比较器28b1中与额定电压USOLL比较并且借助于电压调节器401产生用于第一相的第二调整变量SGb1。
针对第二相，首先将第一相的输出电流IL1与第二相的输出电流IL2进行比较。又将电流差IL2-IL1与预设为参考变量的电流差ΔIL2进行比较。比较器28b2从中确定调节偏差eb2＝IL2-IL1-ΔIL2，在考虑所述调节偏差的情况下，第二电流调节器412确定第二相的第二调整变量SGb2的第一数值。通过将第一数值与第一相的第二调整变量SGb1合成442(优选相加)形成第二调整变量SGb2。
相应地，针对另外的相(i在3和n∈N之间)，首先将第一相的输出电流IL1与另一个相i的输出电流ILi进行比较，并且借助于另一个相i的另一个电流调节器41i从电流差ILi-IL1(相应于调节偏差ebi)中产生另一个相i的第二调整变量SGbi的第一数值。借助于将第一数值与第一相的第二调整变量SGb1合成44i(优选借助于相加)形成另一个相i的第二调整变量SGbi。
图5示出用于运行变换器14的控制方法100的一个实施方式的示意流程图。控制方法100包括下述步骤110、120、130、140：在考虑输出线路35的电状态IL1的情况下借助于传感器34产生110测量信号SM；借助于用扫描器36以扫描频率fA扫描所接收的测量信号SM来产生120扫描信号SA；评估130扫描信号SA和产生140具有开关频率fSW的开关信号SSI，其中开关频率fSW大于扫描频率fA。用于变换器14的控制装置18准备用于，评估所接收的测量信号SM并且为上升沿38产生测量信号SM，所述测量信号与为下降沿39产生的测量信号SM无关。
根据本发明的设计能够应用于不同类型的变换器，尤其也能够应用于直流电压变换器、逆变器和/或变频器。所描述的电路原理也能够以相反的极性应用。替选地或附加地，在实施例中以电压的形式示出的模拟的和/或数字的电信号也能够作为(所馈入的)电流示出。借助于放大器或变换器能够对在说明书中提及的电压或电流在从其相应的源到其相应的汇集点的路径上进行缩放。以电压或电流的形式示出的模拟的或数字的信号能够根据已知的或根据如今还未知的方法线性地或非线性地编码。可应用的编码方法的示例是脉冲宽度调制和脉冲编码调制。模拟的和/或数字的信号能够电学地、光学地或通过无线电传递。模拟的和/或数字的信号能够以空间多路复用(即借助于不同的线路)、以时间多路复用或以编码多路复用来传递。模拟的和/或数字的信号的传递能够经由一个或多个总线***来进行。
附图标记列表：
10   电路装置
12   电能量源
14   变换器
14a  变换器输入端
14b  变换器输出端
16   电负载
18   变换器控制装置
21   第一开关SI的第一端子
22   第一开关SII的第二端子
24   开关信号发生器
28   比较器
30   调节器
33   选择电路
34   测量设备；电流传感器
35   输出线路
36   扫描器
37   信号评估装置
38   上升沿
39   下降沿
40   电压调节器
41   电流调节器
42   负载电流分配器
43   负载电流分配电路
44   合成
100  控制方法
110  接收测量信号
120  借助于扫描所接收的测量信号来产生扫描信号
130  评估扫描信号
140  产生开关信号
e    调节偏差
B    备用状态
D    接通状态
F    空载状态
FG   参考变量
fA   扫描频率
fSW   开关频率
H(Tdist) 时间间隔Tdist的分布密度函数
IL   输出电流
L    电感
P    相
PID  比例积分微分
RG   调节变量
RS   调节路段
SI   开关
SII  开关
SG   调整变量
SK   电路
SM   测量信号
SA   扫描信号
Tdist 依次的时间上直接相邻的触发信号的时间间隔
TS   触发信号
USOLL 额定电压

Claims (15)

1.一种用于变换器(14)的控制装置(18)，其中所述控制装置(18)准备用于：从测量设备(34)接收所述变换器(14)的输出线路(35)的测量信号(SM)并且评估所述测量信号(SM)，以便产生开关信号(SS)，所述开关信号具有开关频率(fSW)，其中所述控制装置(18)包括扫描器(36)以用于借助于对接收到的测量信号(SM)的扫描(120)来产生(120)扫描信号(SA)，其特征在于，所述扫描器(36)准备用于：以扫描频率(fA)执行所述扫描(120)，所述扫描频率低于所述开关频率(fSW)的三倍。
2.根据权利要求1所述的控制装置(18)，其特征在于，所述扫描器(36)准备用于：在一定的开关频率(fSW)的情况下以平均扫描频率(fA)执行所述扫描(120)，其中所述平均扫描频率(fA)除以所述开关频率(fSW)的商和所述开关频率(fSW)除以所述平均扫描频率(fA)的商都不是整数。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置(18)，其特征在于，开关信号发生器(24)准备用于：产生具有开关频率(fSW)的所述开关信号(SS)，所述开关频率至少为所述扫描频率(fA)的n倍大，其中n等于5/6、21/20、11/10、6/5、2、4、8、16、32、64或者其他的二次幂。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的控制装置(18)，其特征在于，所述扫描器(36)准备用于：借助依次的触发信号(TS)执行所述扫描(120)，其中依次的时间上直接相邻的触发信号(TS)的时间间距(Tdist)的分布密度函数(H(Tdist))包括唯一的或多个狄拉克δ函数和/或连续的分布密度函数。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的控制装置(18)，其特征在于，所述控制装置(18)准备用于：从所述扫描信号(SA)中确定至少一个第一类统计值(RGa)。
6.根据权利要求5所述的控制装置(18)，其特征在于，所述至少一个第一类统计值(RGa)包括最大值、最小值、有效值、算术平均值和/或中值。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的控制装置(18)，其特征在于，所述控制装置(18)包括至少一个第一比较器(28a)，以便将第一额定值(FGa)与第一实际值(RGa)进行比较，所述第一实际值能够从所述扫描信号(SA)中确定，并且从比较的结果(ea)中确定第一调整变量(SGa)。
8.根据权利要求7所述的控制装置(18)，其特征在于，所述控制装置(18)包括至少一个第二比较器(28b)，以便将第二额定值(FGb)与第二实际值(RGb)进行比较，所述第二实际值能够从所述扫描信号(SA)中确定，并且从比较的结果(eb)中确定第二调整变量(SGb)。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的控制装置(18)，其特征在于，所述控制装置准备用于：关于所述输出线路(35)上的输出电流(IL)、输出电压(U)和/或一个或多个所述变量的谱特征对所述扫描信号(SA)执行评估(120)。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的控制装置(18)，其特征在于，所述控制装置(18)准备用于：为输出电流(IL)的下降沿(39)控制最小的输出电流。
11.根据权利要求9或10所述的控制装置(18)，其特征在于，所述控制装置(18)准备用于：为所述输出电流(IL)的上升沿(38)控制所述输出电流(IL)的峰值电流、有效电流、平均电流或其他的特性。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的控制装置(18)，其特征在于，所述控制装置(18)准备用于：接收至少两个相特定的输出线路(35)的测量信号(SM)，扫描接收到的所述测量信号(SM)，产生所述扫描信号(SA)，并且产生(140)所述开关信号(SS)。
13.一种变换器(14)，其特征在于，所述变换器(14)包括至少一个根据权利要求1至12中的任一项所述的控制装置(18)。
14.根据权利要求13所述的变换器(14)，其特征在于，所述变换器(14)包括用于将负载电流(IL)分配到多个相上的负载电流分配器(42)。
15.一种用于运行变换器(14)的控制方法(100)，其中所述控制方法(100)包括下述步骤(110，120，130，140)：
-在考虑输出线路(35)的电状态(IL1)的情况下产生(110)测量信号(SM)；
-借助于以扫描频率(fA)对接收到的所述测量信号(SM)的扫描来产生(120)扫描信号(SA)；
-评估(130)所述扫描信号(SA)；和
-产生(140)具有开关频率(fSW)的开关信号(SS)，其特征在于，所述开关频率(fSW)的三倍大于所述扫描频率(fA)。
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