DE19905640A1

DE19905640A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung parallel geschalteter Spannungswandler

Info

Publication number: DE19905640A1
Application number: DE1999105640
Authority: DE
Inventors: Bernd Dittmer; Roman Gronbach; Reinhard Rieger; Richard Schoettle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-02-11
Filing date: 1999-02-11
Publication date: 2000-08-17

Abstract

Es werden Vorrichtungen und Verfahren zur Regelung parallelgeschalteter Spannungswandler, insbesondere in einem Mehrspannungsbordnetz bei einem Fahrzeug mit Spannungsbereichen (U1, U2) zwischen denen die Spannungswandler liegen, beschrieben, bei denen ein erster Spannungswandler als Hauptwandler arbeitet, der die Führungsfunktion bei der Regelung übernimmt und die weiteren Spannungswandler als unterlagerte Wandler arbeiten und mit dem Hauptwandler in Verbindung stehen.

Description

Stand der Technik

Im Rahmen der Weiterentwicklungen von Spannungsregelungskonzepten ist es notwendig, mehrere Spannungswandler parallel zu betreiben, um eine Erhöhung der Ausgangsleistung zu erreichen. Es soll dabei sichergestellt werden, daß die Anordnung mit den parallel betriebenen Spannungswandler nicht zu unkontrollierten Schwingungen am Ausgang neigt. Diese Schwingungen werden durch Netzverkoppelungen verursacht, die durch die räumlich getrennte Anordnung der Einzelwandler verursacht werden.

Im Regelfall wird die Parallelschaltung von Wandlern durch Nebeneinanderbetrieb von mehreren selbständigen Wandlern realisiert. (Master-Slave-Betrieb). In Einzelfällen wird auch ein Weiterleiten des Ventil-Ansteuersignals (Transistor-Ansteuersignal) bei multiresonanten Wandlern vorgenommen. Es werden dabei die Einschaltimpulse der Schalttransistoren des Master-Wandlers an die Slave-Wandler übergeben. Der Master erzeugt dabei Ansteuersignale für die Leistungshalbleiter, diese werden dann auf die Endstufen der parallel geschalteten Wandler übertragen.

Vorteile der Erfindung

Der Hauptvorteil des hier vorgestellten erfindungsgemäßen Konzepts besteht darin, daß die Schwingungsproblematik bei parallel verschalteten Spannungswandlern gelöst wird. Der Stand der Technik wird vor allem durch das Parallelschalten von identischen Einzelwandlern dargestellt. Im hier vorgestellten Fall behält jedoch jeder einzelne Wandler Teile des Reglers und vor allem das Stellglied mit der dazugehörigen Signalverknüpfung für die unterschiedlichen Betriebsarten. Der Vorteil hierbei ist, daß auch räumlich getrennte Systeme sicher betrieben werden können. Eine Beschränkung auf eine vorgegebene Wandlerzahl ist nicht notwendig.

Durch die Ausgabe von Sollwerten für einen unterlagerten Regelkreis bzw. einen Steller erhält man eine Symmetrierung der Belastung der Einzelwandler. Um für den einzelnen Wandler unter Umständen eine Minimallast sicherzustellen, kann der überlagerte Wandler nach Wahl auch einzelne unterlagerte Wandler gezielt abschalten.

Ein weiterer Vorteil bei der Parallelisierung der Wandler ist ein besserer Wirkungsgrad des Gesamtsystems, da der Einzelwandler geringer belastet wird (Laststrom bzw. im Wirkungsgradoptimum betrieben werden kann).

Erzielt werden diese Vorteile durch Vorrichtungen und/oder Verfahren zur Regelung parallel geschalteter Spannungsregler mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 sowie der Unteransprüche.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine Anordnung der Einzelwandler am Beispiel DC/DC-Wandler, Fig. 2 eine Regelstruktur des überlagerten Kreises von Wandler 1 und Fig. 3 eine Struktur der unterlagerten Regel- und Stellglieder.

Beschreibung

Fig. 1 zeigt die Anordnung der Einzelwandler bei einem System mit mehreren Spannungswandlern am Beispiel von DC/DC- Wandlern. Eine solche Anordnung kann z. B. in einem Fahrzeugbordnetz mit unterschiedlichen Spannungen zum Einsatz kommen. Bei einem solchen Zwei- bzw. Mehrspannungsbordnetz ist z. B. U1 die Bordnetzspannung, die vom Generator geliefert wird. Ausgangsseitig liefern die DC/DC-Wandler 10, 11 und 12 die Spannung U2. Die Verbindung der DC/DC-Wandler erfolgt über einen Parallelbus 13.

Fig. 2 zeigt die Regelstruktur des überlagerten Kreises des Wandlers 1, der z. B. dem Wandler 10 nach Fig. 1 entspricht und der als Hauptwandler arbeitet. Er umfaßt eine Sollwertvorgabe 14 und eine Istwerterfassung 15 zur Bildung der Führungsgröße 16. Aus der Führungsgröße 16 bestimmt der Regler 17 die innere Stellgröße (Ausgangsgröße) 18. In dieser Anordnung muß bei Verwendung eines Parallelbusses der erste Wandler 1 die Führungsfunktion übernehmen. Der Informationsaustausch erfolgt bei dieser Anordnung direkt aus den Ausgangsgrößen des überlagerten Reglers von Wandler 1. Diese Größen dienen den angeschlossenen Wandlern wiederum als Führungsgröße für ihr Stellglied bzw. ihren unterlagerten Regelkreis. Damit erhält man für den überlagerten Regelkreis in Wandler 1 die Fig. 2 skizzierte Struktur. Ein Parallelbus wird dabei benötigt, wenn mehrere Spannungswandler auf eine Ausgangsspannung parallel arbeiten. Prinzip dieses Regelkonzepts ist, daß die benötigte Ausgangsleistung möglichst gleichmäßig auf alle Wandlerstufen verteilt wird.

Die innere Stellgröße (Ausgangsgröße) kann beispielsweise ein analoger Stromsollwert für einen unterlagerten Stromregler oder eine digitale Stellgröße sein. Die Übertragung für digitale Werte kann optisch oder leistungsgebunden erfolgen.

Die Wandler selbst können räumlich frei angeordnet werden, wobei die überlagerte Regelung von Wandler 1 vorgenommen wird, d. h. die Spannungs-Regelung auf die Regelgröße erfolgt nur am geometrischen Ort von Wandler 1. Die Ausgangsgröße des Hauptwandlers (bzw. des überlagerten Reglers in Wandler 1) dient dem unterlagerten Reglern als Sollwertvorgabe.

Für die unterlagerten Regler in Wandler 1 bis n (10, 11, 12, . . .) erhält man die in Fig. 3 aufgezeigte Struktur. Die Sollwertvorgabe für diesen unterlagerten Kreis ist dabei frei, d. h. analog oder digital zu sehen. Die Ausgangsgröße des überlagerten Reglers in Wandler 1 dient als Sollwertvorgabe 19 und wird über einen Parallelbus zugeführt. Aus der Sollwertvorgabe 19 und der Istwerterfassung 20 wird die innere Führungsgröße 21 gebildet für den unterlagerten Regler und das Stellglied 21, zur Bildung der Stellgröße 21. Die Regelfunktionen lassen sich nach den beiden folgenden Modifikationen durchführen:

Modifikation 1: Der im Master integrierte Regler gibt sein PWM-Signal ungefiltert an die Slave-Wandler weiter, überträgt aber zusätzliche Signale, wie z. B. die Freigabesignale für Transistoren, Synchrongleichrichter, sowie das Stromvorzeichen (bei bidirektionalem Betrieb). Ferner werden Einschalt- und Ausschaltsignale für den Gesamtwandler übertragen, um die Versorgung aus- und einzuschalten.

Master-Wandler ⇒	Slave-Wandler
PWM-Reglersignal ⇒	PWM-Reglersignal
Freigabe ⇒	Freigabe
Transistoren ⇒	Transistoren
Stromvorzeichen ⇒	Stromvorzeichen
Synchrongleich richtung ⇒	Synchrongleichrichtung
Ausschaltbefehl ⇒	Ausschaltbefehl
Einschaltbefehl ⇒	Einschaltbefehl
. . . weitere. . . ⇒	. . . weitere. . .

Modifikation 2: Der im Master integrierte Regler gibt seinen unterlagerten Stromsollwert analog oder digital an die Slave-Endstufen weiter, überträgt aber, wie in Modifikation 1 bereits erwähnt, zusätzliche Signale. Der unterlagerte Wandler ist damit vom Master komplett steuerbar (angefangen vom Ein-und Ausschalten bis zur Vergabe der unterlagerten Stromsollwerte für die Endstufen).

Master-Wandler ⇒	Slave-Wandler
Unterlagerter Sollwert ⇒	Unterlagerter Sollwert
Ausgangsstrom ⇒	Ausgangsstrom
Freigabe ⇒	Freigabe
Transistoren ⇒	Transistoren
Stromvorzeichen ⇒	Stromvorzeichen
Synchrongleich richtung ⇒	Synchrongleich richtung
Ausschaltbefehl ⇒	Ausschaltbefehl
Einschaltbefehl ⇒	Einschaltbefehl
. . .weitere. . . ⇒	. . .weitere. . .

Die aufgezeigten Vorrichtungen bzw. die zugehörigen Verfahren zur Regelung parallel geschalteter Spannungswandler lassen sich z. B. in Fahrzeugbordnetzen einsetzen oder aber in beliebigen Spannungsversorgungen, bei denen eine hohe Ausgangsleistung benötigt wird und diese möglichst auf mehrere Wandler verteilt werden soll.

Claims

1. Vorrichtung und Verfahren zur Regelung parallel geschalteter Spannungswandler, insbesondere in einem Mehrspannungsbordnetz bei einem Fahrzeug mit Spannungsbereichen (U1, U2), zwischen denen die Spannungswandler liegen, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Spannungswandler als Hauptwandler arbeitet, der die Führungsfunktion bei der Regelung übernimmt und die weiteren Spannungswandler als unterlagerte Wandler arbeiten und mit dem Hauptwandler in Verbindung stehen.

2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptwandler einen überlagerten Regelkreis umfaßt, der aus der Sollwertvorgabe und dem erfaßten Istwert eine Führungsgröße bildet, die auf den im Hauptwandler enthaltenen Regler einwirkt zur Bildung einer inneren Stellgröße.

3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Hauptwandler gebildete innere Stellgröße wenigstens einem der untergelagerten Wandler zugeführt wird.

4. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Stellgröße ein analoger Stromsollwert oder eine digitale Stellgröße ist, die einem unterlagerten Wandler zugeführten Stromregler zugeführt wird.

5. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterlagerten Wandler jeweils einen eigenen Regler aufweisen.

6. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler Teile des Reglers und des Stellgliedes mit der dazugehörigen Signalverknüpfung für unterschiedliche Betriebsarten umfaßt.

7. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ausgabe von Sollwerten für wenigstens einen unterlagerten Regelkreis bzw. einen Steller eine Symmetrierung der Belastung der Einzelwandler erfolgt.

8. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler voneinander räumlich getrennt sind.

9. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler mindestens so betrieben wird, daß ihm eine Minimallast zukommt und daß bei Unterschreiten der Minimallast der betreffende Wandler vom überlagerten Wandler gezielt abgeschaltet wird.

10. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung der Wandler, insbesondere der von ihnen zu liefernde Laststrom so angepaßt wird, daß vorgebbare Wandler jeweils in ihrem Wirkungsgradoptimum betrieben werden.

11. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unterlagerten Wandler oder die unterlagerten Regler ihre Sollwertvorgabe aus der Ausgangsgröße des überlagerten Reglers im Hauptwandler erhalten, wobei die Sollwertvorgabe über einen Parallelbus erfolgt.

12. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße der unterlagerten Regler und/oder Stellglieder durch Vergleich der vom überlagerten Regler gelieferten Sollwertvorgaben mit erfaßten Istwerten erfolgt, aus denen eine innere Führungsgröße gebildet wird, die dem unterlagerten Regler und Stellglied zugeführt wird, zur Bildung der Stellgröße.