DE102017124575A1 - Carrier modulated pulse width modulation to adjust the distortion spectrum of a clocked power electronics - Google Patents
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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.The present invention relates to a method for controlling a power electronics (200), wherein the power electronics (200) comprises at least two power semiconductor switches (243, 244) and controlled according to pulse width modulation by a first control unit (230), the pulse width modulation according to a dynamically varied Clock signal (236) is performed and wherein the clock signal is calculated at a time by a second control unit (210) using a predetermined target spectrum. Furthermore, the present invention relates to a corresponding system.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur trägermodulierten Pulsweitenmodulation zur Anpassung des Verzerrungsspektrums einer getakteten Leistungselektronik beim Betrieb eines Elektromotors.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.
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.In vehicles with partial or pure electric drive DC-DC converters play an essential role to transfer energy between different voltage levels, for example. Between a battery voltage of 12 V and a voltage used for the drive, which, for example, at about 48 V at Mild hybrids and can range between 250 V and 900 V for large drives.
Ein Beispiel für einen in einem Elektrofahrzeug verbauten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler zeigt die Druckschrift
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/TIE.2017.2681968 (2017).By a switching principle inherent in DC-DC converters, they provide a critical source of electromagnetic interference to sensitive electronic devices such as control buses or car radios. In addition, electronic devices having semiconductor materials having a large bandgap, such as gallium nitride (GaN ) and silicon carbide (SiC) have a ten to a thousand times faster switching in field effect transistors, abbreviated to FET, as compared to conventional silicon, but interfere with sensitive electromagnetic fields emitted with electromagnetic interference, abbreviated to EMI. 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 / TIE.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.In research on high switching rates in circuits usually a conventional pulse width modulation method, abbreviated PWM, is used, the problem remains unnoticed that caused by the switching rates high EMI, as well as a high power density in first harmonic harmonics, one for various communication and Positioning applications impair reserved long wave and medium wave range. In this sensitive environments, such as. Are found, for example, in vehicles and aircraft exchange many communication buses information in these areas and thus limit the use of high switching rates in many circuits.
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.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 broadening methods. Well known spectral shaping methods are frequency modulated PWM, random PWM, chaotic PWM, and sigma-delta modulation. These methods vary the switching rate to broaden spectral peaks at a switching frequency and their harmonics and, by distributing a noise power, reduce the maximum power density in the distortion spectrum.
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.While the previous methods described, for example, 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, while lowering the power density of an output, complicates control, as commonly a clock rate in a main control cycle or modulation is varied. Consequently, implementation of high-performance converters with dedicated control dynamics is very demanding and also changes an achievable control bandwidth during operation. Moreover, the spectral broadening is only ad hoc and can not be aligned according to a predetermined reference spectrum.
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.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method for controlling power electronics, such as DC-DC converters and / or inverters, that caused by the switching of the power semiconductor switches Controls the distortion spectrum and thereby improves the electromagnetic compatibility (EMC). In contrast to known spectral broadening methods, gaps or a particular shape should also be able to be effected in the spectral course of the distortion spectrum at any time. In any case, a maximum spectral power density should be lower by distributing over respective spectral ranges than in previous PWM methods. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a corresponding system for carrying out such a method.
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.To solve the above object, a method for controlling a power electronics is claimed, wherein the power electronics comprises 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 Clock signal is calculated by a second control unit using a predetermined target spectrum. 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.
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.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 which is available to the first control unit as a further input signal. According to the invention, the respective clock is calculated by a second control unit in such a way that the distortion spectrum consisting of the deviations between the reference voltage and the output voltage of the power electronics corresponds to a predetermined target spectrum.
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 Z(ω) ist Funktion einer Schaltfrequenz ω, dessen inverse Funktion das Taktsignal für die Pulsweitenmodulation darstellt. Die zweite Steuereinheit ordnet nun mittels einer Gleichung
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
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,τ) 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 Proportional-Integral-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 order to suppress generation of sidebands, subharmonics and other sampling artifacts known from conventional spectral broadening methods, the VCO voltage is updated in the second control unit after a variable time interval τ, for example a log normal distribution τ ~ In N taken after its elapse, a new pair of random numbers (x, τ) is drawn from the respective distributions. Thus, the temporal continuation of the spectral properties of the distortion spectrum is determined at all times. The first control unit can from the variable clock signal current and / or voltage control of the DC-DC converter, for example. According to a proportional-integral control, abbreviated by the person skilled in the PI, perform, which can also be performed cascaded with simultaneous power and voltage control. 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.
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 one embodiment of the method according to the invention, two power semiconductor switches are selected in each case as a half bridge for driving a phase of an electric motor. 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 present Higher number of output phases, the spectra of the output signals can be calculated and optimized.
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 one embodiment of the method according to the invention, a clock, according to which the second control unit is operated or executed, is selected independently of the clock signal of the first control unit.
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 one embodiment of the method according to the invention, 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.
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 a further embodiment of the method according to the invention, the 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.
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 further embodiments of the method according to the invention, a variation of the respective clock signal of the pulse width modulation by the inventive calculation of a switching frequency according to equation (1), wherein a number from the interval [0,1] by means of a pseudorandom algorithm or due to a predetermined number sequence is determined. To suppress artifacts, however, the given number sequence must have a minimum length that excludes temporal correlations.
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 one embodiment of the method according to the invention, the predetermined target spectrum takes into account limit values from standards for electromagnetic compatibility, which are specified, for example, in CISPR standards, industrial or development standards.
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.In a further embodiment of the method according to the invention, 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 be justified, for example, by a current radio reception frequency, a mobile radio frequency or other sensitive frequency ranges of built-up communication buses or the like, or else multiples of the respectively associated harmonic harmonics. As a result of the dynamic variation of the clock signal according to equation (1), 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.
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 Z(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
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.In a further embodiment of the method according to the invention, the target spectrum of an inverse convolution is subjected to a frequency transformation of a switching function of the power semiconductor switches. The switching function additionally takes into account real deviations from a rectangular function corresponding to the on and off state of the power semiconductor switch, which consist of imperfectly rectangular transitions between the two switching states and / or switching overvoltages.
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.In addition, in particular in the case of DC converters, there may be a frequency response which prevents the PWM switching frequency from being detectable in output parameters, for example an output voltage or an output current. In typical DC-DC converters, the charge of a magnetic memory is usually controlled. Frequency response of the output, on the other hand, can often be approximated by linear filtering of the PWM switching signal, for example by low pass filtering or generally by an FIR filter, ie a finite impulse response filter, or an IIR filter, ie Filter with an infinite impulse response. Accordingly, also 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. For example, 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.
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.Finally, in one embodiment of the method according to the invention for operating the power semiconductor switches, 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 switches, whereby disadvantages of the resulting distortion spectrum can be compensated by means of an embodiment of the method presented here according to the invention.
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.Furthermore, a system for controlling a power electronics is claimed, 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.
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 a further embodiment of the system according to the invention, the clock generator is a voltage-controlled oscillator, abbreviated as VCO. The VCO converts an input voltage into a clock signal, the transfer function of the conversion being commonly known.
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 Input-/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.In a further embodiment of the system according to the invention, the control unit is a microcontroller. In particular, the microcontroller is used to control the pulse width modulation and generates by execution of an embodiment of the method according to the invention, for example. By calculation of equation (3), via a GPIO output, abbreviated for general purpose input / output output, a digital signal, which a low pass represents the input voltage of the VCO and thus the switching frequency for the pulse width modulation. Furthermore, the microcontroller can supply the pulse width modulation, for example by means of a reference signal passed through a low-pass filter, provided by the microcontroller as a digital signal at a GPIO output, with a reference voltage. In addition, the microcontroller can be subjected to further 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 with a provision of data to a start-up control, monitoring, temperature monitoring, power loss and much more.
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.While the description of the method according to the invention speaks almost exclusively of voltages, it can be carried out in the same way in current-controlled or current-controlled systems.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters. -
2 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Schaltung einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuerten Halbbrücke. -
3 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Schaltung zweier mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuerter Halbbrücken. -
4 zeigt beispielhafte Verzerrungsspektren, bei denen zwei aus dem Stand der Technik und zwei durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entstanden sind.
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1 shows a schematic representation of a possible embodiment of an inventive control of a power semiconductor switch. -
2 shows a schematic representation of an exemplary circuit of a controlled by the inventive method half-bridge. -
3 shows a schematic representation of an exemplary circuit of two controlled by the method according to the invention half bridges. -
4 shows exemplary distortion spectra, in which two have arisen from the prior art and two by carrying out the method according to the invention.
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