DE10110615A1 - Verfahren zur Erzeugung von Ansteuerimpulsen für Leistungshalbleiter - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung von Ansteuerimpulsen für LeistungshalbleiterInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Generierung versetzter Ansteuerungsimpulse für Halbbrücken (1), die in Mehrphasenumrichtern (12, 13, 14) oder Gleichspannungsumrichtern (18) aufgenommen sind mit nachfolgenden Verfahrensschritten: DOLLAR A Dem Verschieben der Referenzspannung u¶Ref¶ (31) um eine Verzögerungs- oder Totzeit T¶0¶ (33) oder dem Verschieben der Steuerspannung u¶St¶ (30) um die Verzögerungs- bzw. Totzeit T¶0¶ (33), jeweils dividiert durch die Anzahl n der Versetzungen.
Description
Die Umformung von elektrischer Energie, z. B. in einem Fahrzeugbordnetz erfolgt übli
cherweise durch statische Umrichter. Dort werden Gleichgrößen in Wechselgrößen einer
bestimmten Frequenz oder Wechselgrößen in Gleichgrößen umgeformt. Wechsel- oder
Gleichgrößen sind z. B. Spannungen oder Ströme. Es besteht auch die Möglichkeit, Gleich
größen in Gleichgrößen z. B. eine Gleichspannung in eine Gleichspannung mit einem ande
ren Spannungsniveau umzuformen.
Aus DE 199 47 476.1 ist ein Umrichter für die Umformung von elektrischer Energie be
kannt. Dieser Umrichter wird in einem Bordnetz eines Fahrzeuges eingesetzt und umfaßt
mindestens eine Halbbrücke. Die Halbbrücke ihrerseits umfaßt wenigstens einen High-
side- und einen Low-side-Schalter, wobei die Schalter an der Halbbrücke in beliebiger An
zahl vorgebbar sind. Die High-side-Schalter sind mit einem Pluspol verbunden, während
die Low-side-Schalter entweder mit Masse bzw. dem Minuspol verbunden werden können,
die mit einer die elektrische Energie erzeugenden Komponente, z. B. einem Drehstromge
nerator in Verbindung steht. Parallel zur Halbbrücke ist ein Zwischenkreiskondensator an
geordnet, dessen Kapazität möglichst klein sein soll. Um dies zu erreichen, wird die An
steuerung der Schalter gegeneinander versetzt vorgenommen, so daß der vom Zwischen
kreiskondensator zu liefernde Strom möglichst gering bleibt.
Bei derzeit eingesetzten Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlern (DC/DC-Wandlern) wird bei
einphasiger Beschaltung nur ein PWM-Signal generiert. Das dabei übliche Ansteuerverfah
ren liegt in der Erzeugung eines Referenzsignals in Form eines Trapezes. Bei diesem An
steuerverfahren sind die Reset-Zeitpunkte jeweils um halbe Periodendauer T/2 zueinander
versetzt. Ungünstig bei trapezförmigen verlaufenden Referenzsignalen sind deren ver
schlechterte Eigenschaften hinsichtlich der EMV. Ferner ist bei diesem Ansteuerungsver
fahren der Umstand von Nachteil, daß die Reset-Zeitpunkte auf die halbe Periodendauer
T/2 festgelegt sind und daher ein Einsatz bei versetzt getakteten Multiphasenhalbbrücken
nur mit erhöhtem Aufwand durchführbar ist.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können versetzt getaktete Multipha
sen-Halbbrücken zuverlässig angesteuert werden, wobei die Versetzung der Ansteuerim
pulse auf zwei verschiedene Arten erfolgen kann.
Einerseits kann die Referenzspannung um eine Zeitspanne T0 verschoben werden. Dies
wird mittels eines Signalgenerators bewerkstelligt oder durch Einsatz eines analogen Ver
zögerungsgliedes, an welchem die Totzeiten in weiten Bereichen voreinstellbar ist. Je nach
Anzahl der eingesetzten Halbbrücken lassen sich, um ausreichende Ansteuerpausen herbei
zuführen, zeitlich gleichmäßig voneinander entfernte Ansteuerzeitpunkte einstellen. Zu
diesen Zeitpunkten erfolgt eine Ansteuerung der entsprechenden Halbbrücke mittels mit
ten-ausgerichteten PWM-Ansteuerbefehlen (Center-aligned-PWM), die zur Vermeidung
von Signalunschärfen und Signalüberlappungen einer Kanten ausgerichteten PWM (Edge-
aligned PWM) vorzuziehen ist.
Andererseits kann die Versetzung der Ansteuerungsimpulse versetzt getakteter Multipha
sen-Halbbrücken auch durch eine Verschiebung der PWM-Impulse um eine Totzeit T0 er
folgen. Dazu wird ein T-Glied eingesetzt, so z. B. ein analog arbeitendes Totzeitglied oder
ein Schieberegister. Im Rahmen einer Erzeugung von Ansteuersignalen auf digitalem We
ge können Zähler eingesetzt werden, die an der jeweils positiven/negativen Flanke des be
herrschenden PWM-Signals zurückgesetzt werden. Die Zählerstände der digitalen Zähler
werden ausgewertet; bei Erfüllen bestimmter Kriterien können Ausgangsgatter signalab
hängig gesetzt oder rückgesetzt werden.
Bei zweifach versetzter Taktung (n = 2) der Ansteuersignale eröffnen sich in Anwendung
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens die Möglichkeiten, entweder die Refe
renzspannung URef oder die Steuerspannung USt zu spiegeln und auf diese Weise ein PWM-
Signal zu modulieren, d. h. zeitlich innerhalb der Periodendauer zu verschieben.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Generierung von versetzten An
steuerimpulsen für Multiphasen-Halbbrücken kann wahlweise als Software-Algorhythmus
in einen Mikrokontroller oder als programmierbare Logik ausgeführt werden; es läßt sich
selbstverständlich auch als Hardware-Aufbau realisieren.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Modul einer Halbbrücke für versetzte Ansteuerung,
Fig. 2 einen vollständigen Dreiphasenumrichter, aufgebaut aus drei identischen
Halbbrücken für versetzte Ansteuerung,
Fig. 2.1 einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) mit unterschiedlichen
Spannungsniveaus,
Fig. 3 eine Verschiebung der Referenzspannung URef1 um T0,
Fig. 4 eine Verschiebung der PWM-Signale um eine Verzögerungszeit
T0 = TPeriode/n,
Fig. 5 die Generierung von PWM-Signalen bei 2-fach versetzten Schalten mit Ver
zögerungsglied,
Fig. 6 die Umsetzung der Zeitverzögerung mittels Spiegelung der Referenzspan
nung bei u = 50%,
Fig. 7 die Erzeugung von versetzten PWM-Signalen bei 2-fach versetzten Takten
und
Fig. 8 die digitale Umsetzung der Zeitverzögerung mit Zählern für positi
ve/negative Flanke des PWM-Signals.
Fig. 1 ist ein Modul einer Halbbrücke für versetzte Ansteuerung entnehmbar.
Fig. 1 zeigt ein Modul einer Halbbrücke 1 für einen Umrichter mit versetzter Ansteue
rung. Als Beispiel werden hier vier parallel geschaltete Schalter 4, 5, 6 und 7 sowie 8, 9, 10
und 11 dargestellt. Es ist jedoch auch jede andere Zahl von parallelen Ventilen bzw. eine
andere Anzahl paralleler Teilzweige denkbar. Mit Bezugszeichen 2 ist eine Zwischenkreis
kapazität bezeichnet, während mit den Bezugszeichen 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 Entkopplungs
indiktivitäten identifiziert sind, die für die Funktionsfähigkeit des Umrichters erforderlich
sind.
Der Darstellung gemäß Fig. 2 ist ein vollständiger Dreiphasenumrichter, aufgebaut aus
drei identischen Halbbrücken für versetzte Ansteuerung entnehmbar.
Jede der Halbbrücken 12, 13 und 14 sind Entkopplungsinduktivitäten 3.1, 3.2, 3.3 sowie
3.4 zugeordnet. Für die Ansteuerung der Schalter bzw. Ventile kann beispielsweise durch
Anordnung einer Steuer- und Regeleinrichtung Sorge getragen werden.
Mit dem Bezugszeichen 15, 16 und 17 sind die Phasenwicklungen eines Drehstromgene
rators beispielhaft in schematischer Form wiedergegeben, der über den Multiphasen-
Umrichter, der einzelne Halbbrücken 12, 13 und 14 enthält, betrieben wird.
Der Darstellung gemäß Fig. 2.1 ist ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) mit
unterschiedlichen Spannungsniveaus zu entnehmen.
Der Gleichspannungswandler 18 gemäß der Darstellung in Fig. 2.1 umfaßt eine Halb
brücke analog zur Darstellung gemäß Fig. 1. Auf der High-side der Halbbrücke 1 gemäß
der Darstellung in Fig. 2.1 sind die High-side-Schalter 4, 5, 6 und 7 angeordnet, während
sich auf der Low-side der Halbbrücke gemäß der Darstellung in Fig. 2.1 die Low-side-
Schalter 8, 9, 10 und 11 befinden. Die einzelen Parallelzweige der Halbbrücke des Gleich
spannungswandlers 18 gemäß Fig. 2.1 sind jeweils mit Entkopplungsinduktivitäten 3.1,
3.2, 3.3 bzw. 3.4 versehen. In Abwandlung der Halbbrücke 1 gemäß der Darstellung in
Fig. 1, ist an der als Gleichspannungswandler 18 dienenden Halbbrücke gemäß der Dar
stellung in Fig. 2.1 eine weitere Kapazität in Gestalt eines Kondensators 21 angeordnet.
Das erste Spannungsniveau 19 ist durch eine Gleichspannung von 14 V gegeben, mit wel
cher ein Teil eines Fahrzeugbordnetzes versorgt werden kann, während das zweite Span
nungsniveau 20 des Gleichspannungsumrichters 18 gemäß der Darstellung in Fig. 2.1
beispielsweise auf einem Niveau von etwa 42 V liegt, mit welchem weitere Verbraucher
eines Versorgungsbordnetzes eines Kraftfahrzeuges versorgt werden können.
In der Darstellung gemäß Fig. 3 ist die Verschiebung einer Referenzspannung uRef um
eine Verzögerungszeit T0 dargestellt.
Die Darstellung gemäß Fig. 3 zeigt den Verlauf der Steuerspannung 30, uSt, der sich über
die Zeit nicht ändert. Der Steuerspannung 30 überlagert ist der dreieckförmige Verlauf 31
der Referenzspannung uRef1. Das PWM-Signal 32 (PWM1) ist als rechteckförmig verlau
fender Signalverlauf wiedergegeben. Wird die Referenzspannung 31 um die Verzöge
rungszeit T0 33 verschoben, stellt sich ein um die Verzögerungszeit T0, 33, entsprechende
verschobene Referenzspannung 35 ein. Die Verzögerungszeit T0 wird gemäß der Bezie
hung
T0 = TPeriode/n
ermittelt, wobei n die Anzahl der Versetzungen, d. h. die Taktung bedeutet.
Der gleiche Effekt stellt sich bei einer Verschiebung des PWM-Signals 32 um die Verzöge
rungszeit T0 (Bezugszeichen 33) ein, wenn die Steuerspannung uSd, 30, und Referenzspan
nung uRef, 31 unverändert bleiben, wobei die Referenzspannung nach wie vor einen im we
sentlichen dreieckförmigen Verlauf aufweist, welcher für den Einsatz eines Center-aligned-
PWM-Signals 32 enorm vorteilhaft ist, insbesondere hinsichtlich einer Besserung der
EMV.
Das sich ergebende, verschobene PWM-Signal ist gemäß Fig. 3 mit Bezugszeichen 36
gekennzeichnet und ist ebenso um T0 verschoben, wie der Referenzspannungsverlauf 31
gemäß des linken Diagramms in Fig. 3.
Fig. 4 zeigt die Erzeugung versetzter PWM-Signale durch Spiegelung von Steuerspan
nung uSt und Spiegelung der Referenzspannung uRef bei 2-fach versetzter Taktung (n = 2).
Im linken Teil der Darstellung gemäß Fig. 4 ist die Spiegelung des Spannungsverlaufes
der Referenzspannung uR, 31, bei u = 50% dargestellt. Aus der Spiegelung der Referenz
spannung 31 uRef an der Spiegelachse 38 die in diesem Beispiel durch u = 50% willkürlich
ausgewählt ist, resultiert ein Umklappen der Referenzspannung 31 uR. Die sich einstellen
den PWM-Signale 32 bzw. 36 gehorchen somit den nachfolgenden Gleichungen:
PWM1 = SIGN (uRef1 - uSt)
PWM2 = SIGN (uRef2 - uSt).
Ein Vergleich der Verläufe von PWM-Signal 1, Bezugszeichen 32 mit dem Verlauf des
PWM-Signals 2, Bezugszeichen 36, zeigt, daß durch die dargestellte Manipulation der Re
ferenzspannung 31 eine Verschiebung des zweiten PWM-Signals 36 um die Verzögerungs-
oder Totzeit T0 33 erfolgt.
Im rechten Teil der Darstellung gemäß Fig. 4 ist eine weitere Manipulationsmöglichkeit
zur Erzeugung einer Verzögerung eines PWM-Signals 31 wiedergegeben. Auch diese Dar
stellung bezieht sich auf den Sonderfall n = 2, mithin auf eine 2-fach versetzte Taktung des
PWM-Signals. Gemäß dieser Variante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens
wird das Referenzsignal, d. h. die Referenzspannung UR, 31, beibehalten und verläuft kon
tinuierlich dreieckförmig, während die Steuerspannung 30, uSt, an der Spiegelachse 38 bei u
= 50% gespiegelt wird. Die Bildung der PWM-Signale 32 bzw. 36 erfolgt gemäß dieser
Ausführungsvariante gemäß der nachfolgend wiedergegebenen Beziehungen:
PWM1 = SIGN (uRef - uSt1)
PWM2 = SIGN (USt2 - uRef).
Auch mit der Spiegelung der Steuerspannung 30, uSt, läßt sich eine Verzögerung des zwei
ten PWM-Signals 36 um die Verzögerungs- oder Totzeit T0, 33, erzielen.
Der Darstellung gemäß Fig. 5 ist der Aufbau einer Anordnung von Generieren von PWM-
Signalen bei 2-fach versetztem Schalten entnehmbar.
Das Ausgangs-PWM-Signal wird an einem Abgriffspunkt abgegriffen und einem Verzöge
rungsglied 40 aufgeschaltet. Handelt es sich bei dem Verzögerungsglied 40 um ein analo
ges Verzögerungsglied, kann an diesem die Verzögerungszeit T0, Bezugszeichen 33, vor
eingestellt werden, um ein zeitlich verschobenes PWM-Signal 36 zu erhalten. Erfolgt die
Umsetzung auf digitalem Wege, kann auf Verzögerungsglied 40 ein Schieberegister einge
setzt werden.
Fig. 6 verdeutlicht die Umsetzung der Zeitverzögerung mittels Spiegelung der Referenz
spannung uR, Bezugszeichen 31.
Fig. 6 entspricht einer Umsetzung des linken Teils des Diagramms gemäß Fig. 4. Die
Steuerspannung uSt, 30, wird an beiden mit positiven Vorzeichen belegten Eingängen der
Eingangsseite 44 von Operationsverstärkern 41, 42 aufgegeben. Am Ausgang 45 der Operationsverstärker
41 bzw. 42 stehen deren Ausgangssignale mit invertiertem Eingang von
K-Gliedern 46 bzw. 47 in Verbindung, an deren Ausgang wiederum die zeitlich zueinander
verschobenen PWM-Signale 32 bzw. 36 anstehen und abgreifbar sind.
Die Referenzspannung 31, uRef, wird direkt auf den Eingang des K1-Glieds 46 geschaltet,
während dem K2-Glied 47 eine Invertierungsstufe 43 vorgeschaltet ist. An dieser ist die
Spiegelachse 38 bei u = 50% implimentiert; gemäß der Beziehung y = x - 1 wird die Refe
renzspannung uRef, Bezugszeichen 31, gespiegelt und läßt sich gemäß des in Fig. 4 wie
dergegebenen Verlaufes einstellen, d. h. insbesondere zeitlich verschieben.
Fig. 7 zeigt die Erzeugung von Versetzten PWM-Signalen bei 2-fach versetztem Schalten
unter Spiegelung der Steuerspannung uSt bei u = 50% und anschließender Bildung des in
vertierten PWM-Signals. Gemäß der im rechten Teil von Fig. 4 wiedergegebenen Spie
gelung der Steuerspannung 30, uSt, ist in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7 die In
vertierungsstufe 43 dem Operationsverstärker 42 für die Steuerspannung 30 vorgeschaltet.
In dieser Variante für den Sonderfall n = 2 wird die Referenzspannung 31 uRef einem K1-
Glied bzw. einem K2-Glied 46 bzw. 47 direkt aufgegeben.
Ausgangsseitig stehen am K1-Glied 46 und am K2-Glied 47 PWM-Signale 32 bzw. 36 an,
die zueinander zeitlich um T0, d. h. der eingestellten Verzögerungs- oder Totzeit entspre
chend, zueinander verschoben sind.
Der Darstellung in Fig. 8 ist eine digitale Umsetzung der Zeitverzögerung von PWM-
Signalen mit digitalen Zählern für positive/negative Signalflanke des PWM-Signals ent
nehmbar.
In dieser digitalen Ausführungsvariante steht der Taktgeber 50 (CLK) über Verbindungs
leitungen mit dem Takteingang 52 eines jeden Flip-Flops 51 bzw. 53 an, wobei die in Rei
he hintereinandergeschalteten Flip-Flops 51 bzw. 53 mit einem beherrschenden, dem Ma
ster-PWM-Signal beaufschlagt sind. Der positive Ausgang des ersten Flip-Flops 51 steht
am Eingang einer "UND-NICHT"-Verknüpfung 55 und einer "ODER"-Verknüpfung
54 an. Der negative Ausgang des zweiten Flip-Flops 53 steht ebenfalls an beiden Verknüp
fungen 54 bzw. 55 an.
Das vom Taktgeber 50 ausgehende Startsignal steht außer an den beiden Taktsignaleingän
gen 52 der beiden aufgezählten Flip-Flops 51 bzw. 53 am Taktgebereingang 60 von jeweils
einem digitalen Zähler 56 bzw. 57 an. Der digitale Zähler 56 zählt die positiven Flanken
durchgänge 58, der digital arbeitende Zähler 56 die Durchgänge der jeweils negativen
Flanken 59. An den digitalen Zählern 56, 57 werden die jeweils positiven/negativen Flan
ken des Master-PWM-Signals zurückgesetzt. Die digitalen Zähler 56, 57 können z. B. als
12-Bit-Zähler ausgeführt sein, welche die positive Flanke 58 um die Totzeit T0, 33, verset
zen oder in der Alternative die negative Flanke 59 des Master-PWM-Signals um die Tot
zeit T0, 33, versetzen.
Nachfolgend seien Zahlenwerte angegeben, die lediglich als Beispiel gedacht sind.
1
Halbbrücke
2
Zwischenkreiskapazität
3.1
Entkopplungsinduktivität
3.2
Entkopplungsinduktivität
3.3
Entkopplungsinduktivität
3.4
Entkopplungsinduktivität
4
Schalter High-side
5
Schalter High-side
6
Schalter High-side
7
Schalter High-side
8
Schalter Low-side
9
Schalter Low-side
10
Schalter Low-side
11
Schalter Low-side
12
Erste Halbbrücke
13
Zweite Halbbrücke
14
Dritte Halbbrücke
15
Phasenwicklung
16
Phasenwicklung
17
Phasenwicklung
18
Gleichspannungsumrichter
19
Erstes Spannungsniveau
20
Zweites Spannungsniveau
21
Kondensator
30
Spannung uSt
31
Referenzspannung uR
32
Erstes PWM-Signal
33
Verzögerungs-, Totzeit
34
Versetzung um T0
35
Verschobene Referenzspannung
36
Verschobenes PWM-Signal
37
Gespiegelte Referenzspannung
38
Spiegelachse u = 50%
39
Invertiertes PWM-Signal
40
Analoges Verzögerungsglied
41
Operationsverstärker
42
Weiterer Operationsverstärker
43
Invertierungsstufe
44
Eingangsseite
45
Ausgangsseite
46
K1-Glied
47
K2-Glied
50
Taktgeber
51
Flip-Flop-Baustein
52
Taktgebereingang
53
Weiterer Flip-Flop-Baustein
54
ODER-Verknüpfung
55
UND-NICHT-Verknüpfung
56
Digitalzähler positive Flanke
57
Digitalzähler negative Flanke
58
Positives Flankensignal
59
Negatives Flankensignal
60
Taktgeber Eingang
Claims (11)
1. Verfahren zur Generierung versetzter Ansteuerungsimpulse für Halbbrücken (1),
die an Mehrphasenumrichtern (12, 13, 14) oder Gleichspannungsumrichtern (18)
aufgenommen sind, mit nachfolgenden Verfahrensschritten:
- - dem Verschieben der Referenzspannung UR (31) um eine Verzögerungszeit der den Versetzungen entspricht oder
- - dem Verschieben eines PWM-Signals (32) um eine Verzögerungszeit T0 (33), die der Periodendauer T, geteilt durch die Anzahl n der Versetzungen entspricht.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschieben der
Referenzspannung uR (31) durch die Triggerung eines Signalgenerators erfolgt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschieben der
Referenzspannung uRef (31) mittels eines im Signallauf angeordneten Verzöge
rungsgliedes (40) erfolgt, an welchem die Verzögerungs- oder Totzeit T0 (33) vor
gebbar ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des
PWM-Signals (32) mittels eines digitalen Verzögerungsglieds (40) erfolgt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des
PWM-Signals (32) bei digitaler Umsetzung mittels eines Schieberegisters vorge
nommen wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsimpuls
des PWM-Signals (32) dasjenige eines Center-aligned-PWM-Signals ist.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei digitaler Umset
zung der versetzten Ansteuerung von Halbbrücken (12, 13, 14) die Verzögerung des
PWM-Signals (32) mittels digitaler Zähler (56, 57) erfolgt.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einer der digi
talen Zähler (56, 57) der positiven Flanke (58) und einer der digitalen Zähler (56,
57) der negativen Flanke (59) des PWM-Signals (32) zugeordnet ist.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei 2-fach versetzten
Takten (n = 2) zur Spiegelung der Referenzspannung uRef (31) diese eine Invertie
rungsstufe (43) durchläuft.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei 2-fach versetzten
Takten (n = 2) zur Spiegelung der Steuerungspannung uSt (30) diese einer Invertie
rungsstufe (43) aufgeschaltet wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung der
versetzten Ansteuerung wahlweise als Softwarealgorithmus in einem Mikrokon
troller oder als programmierbare Logik implementiert ist.
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