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MA – Verifikation Regelalgorithmus

Entwicklung und Verifikation eines Regelalgorithmus für einen isolierenden und bidirektionalen DC/DC-Wandler im DC-Gebäudenetz

Kurzzusammenfassung

In der vorliegenden Masterarbeit wird ein Regelalgorithmus für eine kapazitive Halbbrücke mit aktiv geklemmter und stromgespeister Gegentaktstufe entwickelt. Diese Topologie ist sowohl isolierend als auch bidirektional und ist in [5] realisiert worden. Zu Beginn wird der zu regelnde DC/DC-Wandler für jede Energieflussrichtung separat, auf seine wichtigsten Komponenten reduziert. Im Anschluss werden etablierte
Ansätze zur Regelung von DC/DC-Wandlern zusammengefasst und entsprechende Strukturen vorgestellt. Anhand der anfangs vereinfachten Schaltbilder werden passende Regelalgorithmen entwickelt. Dafür wird das System durch gemittelte Modelle abgebildet. Bei der Modellierung wird beachtet, dass sich DC/DC-Wandler im Continuous Conduction Mode (CCM) und Discontinuous Conduction Mode (DCM) unterschiedlich
verhalten. Des Weiteren bietet der Aufbau dieses Wandlers die Möglichkeit einer Effizienzsteigerung durch Zero Voltage Switching (ZVS). Um diese Erhöhung des Wirkungsgrades auch im geregelten Betrieb zu ermöglichen wird das Verhalten auf Veränderungen untersucht und ein angepasstes Modell erarbeitet. Mittels der entwickelten Modelle werden entsprechende Übertragungsfunktionen berechnet und passende Regelstrukturen ausgewählt. Zur Bestimmung der Reglerparameter werden die Bodediagramme der Übertragungsfunktionen herangezogen. Die Regelalgorithmen basieren damit auf vereinfachten Schaltbildern und werden deshalb zunächst in einem Simulationsmodell verifiziert. Dazu wird die Regelung in Form einer Java Code Implementierung in das Simulationsmodell übertragen. Mit Hilfe des erstellten Simulationsmodells sind bereits vor der Systemimplementierung Aussagen über Stabilität und Dynamik des eigentlichen Hardwareaufbaus möglich. Der Softwarecode des Mikrocontrollers (µC) zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter wird auf die zu implementierende Regelung abgeändert. Hierbei muss die Abarbeitung des C-Codes an die hohen Reaktionszeiten angepasst werden. Abschließend werden Messungen mit den entwickelten Algorithmen durchgeführt, um deren Funktionalität auch im realen Aufbau nachzuweisen.

Abstract

The presented master thesis describes the development of a control algorithm for a half-bridge with an active-clamped current-fed push-pull converter. This topology is as well isolating as bidirectional and was realeased in [5]. First, the circuit diagram is being reduced to the most important components for each individual direction of energy flow. Subsequently the most common approaches of DC/DC converter control are summarized and appropriate structures are introduced. Suitable control algorithms are developed according to the earlier simplified circuit diagram. To achieve this, the system is described by the State Space Averaging Method. The model accounts that DC/DC converters behave differently in Continuous Conduction Mode (CCM) and Discontinuous Conduction Mode (DCM). Furthermore, the layout of this DC/DC converter allows an increase in Efficiency by using Zero Voltage Switching (ZVS). In order to facilitate this in closed-loop operation the system behavior is investigated and a adapted model is presented.
Based on the developed models transfer functions are calculated and an accurate control structure is selected. Using the bode plots of the transfer functions the parameter of the controllers can be determined. The control algorithms that are based on simplified circuit diagrams are verified by a simulation model. To accomplish this, the algorithm is implemented as Java code. Statements about the stability and dynamics of the system can already be made with help of the simulation model. The software code in the microcontroller (µC) is changed in regard to the implemented control. Furthermore, the C-code has to be adapted to the quick reaction time. Finally, measurements are made with the developed control algorithms to proof their functionality.

Bearbeiter: Marcus Koschmieder

Betreuer: Matthias Schulz (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761582; Email: Matthias.Schulz@iisb.fraunhofer.de;

Leopold Ott (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761363; Email: Leopold.Ott@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März