DE102017202493A1 - Verfahren zur Regelung eines stromgesteuerten Gleichspannungswandlers und stromgesteuerter Gleichspannungswandler - Google Patents

Verfahren zur Regelung eines stromgesteuerten Gleichspannungswandlers und stromgesteuerter Gleichspannungswandler Download PDF

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Abstract

Verfahren (200) zur Regelung einer Ausgangsspannung eines stromgesteuerten Gleichspannungswandlers umfassend einen Regler mit den Schritten:• Bestimmen (210) einer Änderungsrate der Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers,• Bestimmen (220) einer Laststromänderung in Abhängigkeit der Änderungsrate der Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers und einer Ausgangskapazität des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers,• Bestimmen (230) einer zweiten Stellgröße in Abhängigkeit der Laststromänderung, und• Addieren (240) der zweiten Stellgröße während einer bestimmten Zeitdauer auf eine erste Stellgröße des Reglers.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines stromgesteuerten Gleichspannungswandlers und einen stromgesteuerten Gleichspannungswandler.
  • Aus dem Stand der Technik sind stromgesteuerte Aufwärtswandler und Abwärtswandler bekannt, die das dynamische Verhalten der Ausgangsspannung nach einem Lastsprung regeln. Diese Stromregelungen können eine digitale Regelung der Ausgangsspannung aufweisen und als Peak-, Valley- oder Average-Stromregelung realisiert werden.
  • Das Paper „Nonlinear digital PID controller for DC-DC converters“, V. Yousefzadeh and S. Choudhury, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC (2008). Twenty-Third Annual IEEE, Austin, TX, 2008, pp. 1704- 1709, offenbart eine nichtlineare Regelstruktur, die das dynamische Verhalten der Ausgangsspannung nach einem Lastsprung kontrolliert. Bei diesem Konzept wird abhängig von der Reglereingangsgröße, das ist die Regelabweichung, der Regler so verändert, dass ein schnelleres Ausregelverhalten entsteht. Dazu wird zwischen verschiedenen Regelalgorithmen gewechselt, die sich in ihren dynamischen Eigenschaften unterscheiden und so das dynamische Gesamtverhalten verbessern
  • Der Nachteil ist hierbei, dass der Regleraufbau sehr komplex ist und dass der Rechenaufwand sehr hoch ist.
  • Das Paper „Modified Hysteretic Current Control for improving Transient response of boost converter“, Jen-Chieh Tsai et al., Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions on , vol. 58, no. 8, pp. 1967-1979, Aug. 2011, beschreibt eine modifizierte hysteretische analoge Stromregelung. Hierbei wird eine analoge Reglerkonfiguration durch Anpassung der Kompensationsbauelemente, Widerstände und Kondensatoren, umgeschaltet, sodass das dynamische Verhalten verbessert wird. Der Zeitpunkt der Umschaltung wird abhängig von der Ausgangsspannung gewählt. Bricht die Ausgangsspannung ein, so wird die Anpassung der Kompensationsbauelemente durchgeführt.
  • Nachteilig ist hierbei, dass sowohl der Hardwareaufwand für die Anpassung der Kompensationsbauelemente, die zur Umschaltung von Kapazitäten und Widerständen sind extra Schaltungen notwendig sind, als auch der Messaufwand für die Erkennung eines Lastsprungs zur Bestimmung des Zeitpunkts des Umschaltens der Kompensationsbauelemente und für die Erkennung eines Wendepunkts der Ausgangsspannung zum Zurückschalten der Kompensationsbauelemente sehr hoch sind.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es diese Nachteile zu überwinden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung eines stromgesteuerten Gleichspannungswandlers umfasst das Bestimmen einer Änderungsrate der Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers. Des Weiteren wird eine Laststromänderung in Abhängigkeit der Änderungsrate der Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers und einer Ausgangskapazität des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers bestimmt. Außerdem wird eine zweite Stellgröße in Abhängigkeit der Laststromänderung bestimmt und die zweite Stellgröße während einer bestimmten Zeitdauer auf eine erste Stellgröße des Reglers addiert. Mit anderen Worten tritt ein Lastsprung in einem stromgeregelten Gleichspannungswandler auf, geht die aktuelle Stellgröße des Regelkreises von einem ersten stationären Wert in einen zweiten stationären Wert über. Bei der ersten Stellgröße handelt es sich somit um die aktuelle Stellgröße des Reglers vor einem Lastsprung. Wird im Folgenden der Begriff Gleichspannungswandler verwendet, so ist hierbei immer ein stromgesteuerter Gleichspannungswandler zu verstehen.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass ein Überschwingen bzw. ein Unterschwingen der Ausgangsspannung bei Laständerungen bzw. Lastsprüngen gering ist. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass die Ausgangskapazität des Gleichspannungswandlers, sowie die Kosten des Gleichspannungswandlers gering sind.
  • In einer Weiterbildung umfasst die bestimmte Zeitdauer eine geringe Anzahl von Rechentakten bzw. Rechenraten des Reglers, insbesondere 1 - 10 Rechentakte des Reglers. Unter dem Begriff Rechentakt wird dabei die Zeitdauer verstanden, die der Regler benötigt um einen neuen Ausgangswert zu berechnen bzw. um einen Rechenschritt zu verarbeiten.
  • Vorteilhaft ist hierbei, dass die Zeitdauer des Übergangs der aktuellen Stellgröße zwischen dem ersten stationären Wert und dem zweiten stationären Wert kurz ist. Da diese Zeitdauer die Dauer des Ausregelvorgangs des Lastsprungs kennzeichnet, ist die Dauer des Ausregelvorgangs ebenfalls kurz.
  • In einer weiteren Ausgestaltung besteht die bestimmte Zeitdauer aus einem Rechentakt des Reglers. Mit anderen Worten es handelt sich um einen kurzzeitigen Eingriff in den Regler bzw. in den Regelvorgang während dem die zweite Stellgröße aufaddiert wird.
  • Der Vorteil ist hierbei, dass der Ausregelvorgang schnell vonstatten geht.
  • In einer Weiterbildung wird die Laststromänderung in Abhängigkeit einer Messung des Laststroms bestimmt.
  • Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Messung des Laststroms sehr genau möglich ist und demnach auch die Berechnung der zweiten Stellgröße sehr genau erfolgt.
  • Ein stromgesteuerter Gleichspannungswandler umfasst einen Regler und eine Steuereinheit. Erfindungsgemäß bestimmt die Steuereinheit eine Änderungsrate einer Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers. Des Weiteren bestimmt die Steuereinheit eine Laststromänderung in Abhängigkeit der Änderungsrate der Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers und einer Ausgangskäpazität des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers. Außerdem bestimmt die Steuereinheit eine zweite Stellgröße in Abhängigkeit der Laststromänderung und addiert die zweite Stellgröße während einer bestimmten Zeitdauer auf eine erste Stellgröße des Reglers.
  • Der Vorteil ist hierbei, dass das Ausregelverhalten des Gleichspannungswandlers geringe Überschwinger bzw. Unterschwinger der Ausgangsspannung aufweist.
  • In einer Weiterbildung umfasst die bestimmte Zeitdauer eine geringe Anzahl von Rechentakten des Reglers, insbesondere 1-10 Rechentakte des Reglers.
  • In einer weiteren Ausgestaltung besteht die bestimmte Zeitdauer aus einem Rechentakt des Reglers.
  • Der Vorteil ist hierbei, dass der Ausregelvorgang des Gleichspannungswandlers schnell erfolgt.
  • In einer Weiterbildung bestimmt die Steuereinheit die Laststromänderung.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der stromgesteuerte Gleichspannungswandler einen analogen Regler.
  • In einer Weiterbildung umfasst der stromgesteuerte Gleichspannungswandler einen digitalen Regler.
  • Der Vorteil ist hierbei, dass eine Addition der zweiten Stellgröße in einem digitalen Regler einfach ausgeführt werden kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der stromgesteuerte Gleichspannungswandler einen Aufwärtswandler.
  • Der Vorteil ist hierbei, dass ein Aufwärtswandler mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr schnell auf Laststromänderungen reagiert, während herkömmliche Aufwärtswandler stark bandbreitenbegrenzt sind und dadurch nur sehr langsam auf Laststromänderungen reagieren können.
  • In einer Weiterbildung umfasst der stromgesteuerte Gleichspannungswandler einen Abwärtswandler.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 einen stromgesteuerten Gleichspannungswandler,
    • 2 ein Verfahren zur Regelung eines stromgesteuerten Gleichspannungswandlers,
    • 3 ein weiteres Verfahren zur Regelung eines stromgesteuerten Gleichspannungswandlers,
    • 4a einen beispielhaften Verlauf der Stellgrößen eines Reglers aus dem Stand der Technik,
    • 4b einen beispielhaften Verlauf der Stellgrößen eines Reglers des erfindungsgemäßen stromgesteuerten Gleichspannungswandlers und
    • 5 einen Vergleich des Lastsprungverhaltens in Bezug auf die Ausgangsspannung verschiedener Regler.
  • 1 zeigt einen stromgesteuerten Gleichspannungswandler 100 mit einer Steuereinheit 110, einer Messeinrichtung 120, einem Regler 150 und einem Speicher 160. Die Steuereinheit 110 erfasst erste Signale 130. In einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Messeinrichtung 120 eine Spannungsmesseinheit, sodass die ersten Signale 130 der Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers 100 entsprechen. In einem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die Messeinrichtung 120 eine Strommesseinheit, sodass die ersten Signale 130 einen Laststrom des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers 100 repräsentieren. Die ersten Signale 130 können dabei in dem Speicher 160 abgelegt werden. Des Weiteren erzeugt die Steuereinheit 110 ein zweites Signal 140, das der zweiten Stellgröße entspricht. Die Steuereinheit 110 umfasst beispielsweise einen Mikrocontroller oder einen field programmable gate array FPGA. Der stromgesteuerte Gleichspannungswandler 100 kann einen analogen oder einen digitalen Regler umfassen. Handelt es sich um einen digitalen Regler, so kann die Steuereinheit 110 Teil eines Digitalteils einer integrierten Schaltung, beispielsweise eines A/D-Wandlers sein. Außerdem kann der stromgesteuerte Gleichspannungswandler 100 einen Aufwärtswandler oder einen Abwärtswandler aufweisen.
  • 2 zeigt ein Verfahren 200 zur Regelung eines stromgesteuerten Gleichspannungswandlers. Das Verfahren 200 startet mit dem Schritt 210, in dem erste Signale des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers mittels der Spannungsmesseinheit erfasst werden und im Speicher der Steuereinheit gespeichert werden, wodurch die ersten Signale die Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers repräsentieren. In einem folgenden Schritt 220 wird eine Änderungsrate der Ausgangsspannung mit Hilfe der Steuereinheit bestimmt. Dazu wird ein vorangegangener Wert Vaus1 der Ausgangsspannung, der im Speicher der Steuereinheit hinterlegt ist, mit der aktuellen Ausgangsspannung Vaus2 verglichen. Dabei ergibt sich die Änderungsrate mittels der Formel: dVaus/dt=(Vaus2-Vaus1)/T, wobei T die Zeitdauer zwischen der Erfassung der aktuellen Ausgangsspannung und dem vorangegangenen Wert der Ausgangsspannung repräsentiert. In einem folgenden Schritt 230 wird eine Laststromänderung in Abhängigkeit der Änderungsrate der Ausgangsspannung und einer Ausgangskapazität des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers mit Hilfe der Steuereinheit bestimmt. Die Laststromänderung ΔILast wird mittels folgender Formel bestimmt: ΔILast = C · dUaus/dt, wobei C die Ausgangskapazität des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers darstellt, Uaus der Ausgangsspannung und dUaus/dt der Änderungsrate entspricht. In einem folgenden Schritt 240 wird eine zweite Stellgröße in Abhängigkeit der Laststromänderung bestimmt. Umfasst der stromgesteuerte Gleichspannungswandler einen peak-stromgeregelten Aufwärtswandler, so wird die zweite Stellgröße mittels folgender Formel bestimmt: S2=R· ΔILast/(1-D), wobei S2 die zweite Stellgröße, R einen Strommesswiderstand und D ein Tastverhältnis des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers darstellt. Umfasst der stromgesteuerte Gleichspannungswandler einen peak-stromgeregelten Abwärtswandler, so wird die zweite Stellgröße mittels folgender Formel bestimmt: S2= R· ΔILast. Die Formeln können auch für average-stromgeregelte Aufwärtswandler und Abwärtswandler, sowie für valley-stromgeregelte Aufwärtswandler und Abwärtswandler hergeleitet werden. In einem folgenden Schritt 250 wird die zweite Stellgröße während einer bestimmten Zeitdauer auf eine erste Stellgröße des Reglers addiert. Mit anderen Worten, die zweite Stellgröße wird auf die aktuelle Reglerausgangsgröße addiert, sodass der Ausregelvorgang mit der Gesamtstellgröße, die sich aus der Summe der ersten Stellgröße und der zweiten Stellgröße ergibt, durchgeführt wird. Umfasst der Regler einen Integrator, so wird die Addition während bzw. innerhalb eines einzigen Rechentakts des Reglers durchgeführt, wodurch der Ausgangsregelvorgang sehr kurz ist und geringe Überschwinger bzw. Unterschwinger aufweist. Mit anderen Worten der Verlauf der Stellgröße S weist eine stark sprunghafte Änderung innerhalb eines Rechentakts auf. Umfasst der Regler keinen integrierenden Teil bzw. keinen Integrator, so wird die Addition über mehrere Rechentakte durchgeführt.
  • 3 zeigt ein weiteres Verfahren 300 zur Regelung eines stromgesteuerten Gleichspannungswandlers. Das Verfahren 300 startet mit dem Schritt 310, in dem erste Signale des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers mittels der Messeinrichtung erfasst wird. Bei der Messeinrichtung handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um eine Strommesseinheit, z. B. um einen Strommesswiderstand, der als Shunt-Widerstand ausgestaltet sein kann oder ein Hall-Element. Die ersten Signale repräsentieren in diesem Ausführungsbeispiel einen Laststrom des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers. In einem folgenden Schritt 330 wird die Laststromänderung mit Hilfe der Steuereinheit erkannt bzw. bestimmt. In einem folgenden Schritt 340 wird die zweite Stellgröße in Abhängigkeit der Laststromänderung bestimmt. In einem folgenden Schritt 350 wird die zweite Stellgröße während einer bestimmten Zeitdauer auf eine erste Stellgröße des Reglers addiert.
  • 4a zeigt einen beispielhaften Verlauf der Stellgrößen eines Reglers aus dem Stand der Technik. Auf der Abszisse ist die Zeit t in µs aufgetragen und auf der Ordinate der Verlauf der Stellgröße bzw. der Gesamtstellgröße des Reglers. Vor dem Lastsprung, der zum Zeitpunkt t=0 s stattfindet, weist die Stellgröße S einen ersten Wert 410 auf, der der ersten Stellgröße bzw. der aktuellen Stellgröße des Reglers entspricht. Die Stellgröße des Reglers wird schrittweise um einen Gesamtbetrag 420 erhöht. Die Zeitdauer für die schrittweise Erhöhung um den Gesamtbetrag 420 kennzeichnet die Dauer des Ausregelvorgangs. Die gestrichelte Linie stellt den idealen Verlauf der Stellgröße bei einem Lastsprung dar.
  • 4b zeigt einen beispielhaften Verlauf der Stellgrößen eines Reglers des erfindungsgemäßen stromgesteuerten Gleichspannungswandlers. Auch hier stellt die gestrichelte Linie den idealen Verlauf der Stellgröße bei einem Lastsprung dar. Auf der Abszisse ist die Zeit t in µs aufgetragen und auf der Ordinate der Verlauf der Stellgröße bzw. der Gesamtstellgröße des Reglers. Vor dem Lastsprung, der zum Zeitpunkt t=0 s stattfindet, weist die Stellgröße S einen ersten Wert 460 auf, der der ersten Stellgröße bzw. der aktuellen Stellgröße des Reglers entspricht. Die zweite Stellgröße 140 wird kurz nach dem Lastsprung für eine bestimmte Zeitdauer zur ersten Stellgröße 460 addiert. Dabei beträgt die bestimmte Zeitdauer einen Rechentakt des Reglers. Mit anderen Worten die Stellgröße S wird direkt auf den zweiten stationären Wert angehoben, indem der ersten Stellgröße ein passendes Delta addiert wird. Der optimale Wert für das Delta entspricht dabei der Differenz des ersten stationären Werts und des zweiten stationären Werts der Stellgröße, wobei der optimale Wert zum Zeitpunkt des Lastsprungs eine unbekannte Größe ist, die mittels der Laststromänderung bestimmt wird.
  • 5 zeigt einen Vergleich des Lastsprungverhaltens in Bezug auf die Ausgangsspannung verschiedener Aufwärtsregler. Auf der Abszisse ist die Zeit t in µs aufgetragen und auf der Ordinate die Ausgangsspannung Uaus in Volt. Die gestrichelte Kurve 510 zeigt dabei das Lastsprungverhalten der Ausgangsspannung eines Reglers aus dem Stand der Technik. Dabei hängt der Spannungseinbruch ΔUaus von der Laststromänderung ΔILast, der Ausgangskapazität C des Gleichspannungswandlers und der Transitfrequenz fT des Regelkreises ab und lässt sich näherungsweise mit der Formel: ΔUaus≈ ΔILast/(C·2π· fT) bestimmen. Die durchgezogene Kurve 520 zeigt das Lastsprungverhalten der Ausgangsspannung eines Reglers des erfindungsgemäßen stromgesteuerten Gleichspannungswandlers. Im Vergleich zum Stand der Technik fällt der Spannungseinbruch bzw. der Betrag des Spannungseinbruchs der Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers wesentlich geringer aus.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • V. Yousefzadeh and S. Choudhury, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC (2008). Twenty-Third Annual IEEE, Austin, TX, 2008, pp. 1704- 1709 [0003]
    • Jen-Chieh Tsai et al., Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions on , vol. 58, no. 8, pp. 1967-1979, Aug. 2011 [0005]

Claims (12)

  1. Verfahren (200) zur Regelung einer Ausgangsspannung eines stromgesteuerten Gleichspannungswandlers umfassend einen Regler mit den Schritten: • Bestimmen (210) einer Änderungsrate der Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers, • Bestimmen (220) einer Laststromänderung in Abhängigkeit der Änderungsrate der Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers und einer Ausgangskapazität des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers, • Bestimmen (230) einer zweiten Stellgröße in Abhängigkeit der Laststromänderung, und • Addieren (240) der zweiten Stellgröße während einer bestimmten Zeitdauer auf eine erste Stellgröße des Reglers.
  2. Verfahren (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Zeitdauer eine geringe Anzahl von Rechentakten des Reglers umfasst, insbesondere 1 - 10 Rechentakte des Reglers.
  3. Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Zeitdauer aus einem Rechentakt des Reglers besteht.
  4. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laststromänderung in Abhängigkeit von Messungen des Laststroms bestimmt wird.
  5. Stromgesteuerter Gleichspannungswandler (100) mit einem Regler (150) und einer Steuereinheit (110), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) • eine Änderungsrate einer Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers bestimmt, • eine Laststromänderung in Abhängigkeit der Änderungsrate der Ausgangsspannung des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers und einer Ausgangskapazität des stromgesteuerten Gleichspannungswandlers bestimmt, • eine zweite Stellgröße in Abhängigkeit der Laststromänderung bestimmt und • die zweite Stellgröße während einer bestimmten Zeitdauer auf eine erste Stellgröße des Reglers (150) addiert.
  6. Stromgesteuerter Gleichspannungswandler (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Zeitdauer eine geringe Anzahl von Rechentakten des Reglers (150) umfasst, insbesondere 1 - 10 Rechentakte des Reglers (150).
  7. Stromgesteuerter Gleichspannungswandler (100) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Zeitdauer aus einem Rechentakt des Reglers (150) besteht.
  8. Stromgesteuerter Gleichspannungswandler (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) die Lastromänderung bestimmt.
  9. Stromgesteuerter Gleichspannungswandler (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der stromgesteuerte Gleichspannungswandler (100) einen analogen Regler umfasst.
  10. Stromgesteuerter Gleichspannungswandler (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der stromgesteuerte Gleichspannungswandler (100) einen digitalen Regler umfasst.
  11. Stromgesteuerter Gleichspannungswandler (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der stromgesteuerte Gleichspannungswandler (100) einen Aufwärtswandler umfasst.
  12. Stromgesteuerter Gleichspannungswandler (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der stromgesteuerte Gleichspannungswandler (100) einen Abwärtswandler umfasst.
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