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MA – Steuerung eines DC/DC-Wandlers mittels Valley-Switching

Steuerung eines mehrphasigen, sensorlosen DC/DC-Wandlers mittels Valley-Switching

Kurzzusammenfassung

Stromsensoren sind ein zentrales Element in der Steuerungs- und Regelungseinrichtung fast aller Gleichspannungswandler. Um Bauraum und Kosten zu sparen sind sensorlose Systeme vielversprechende Forschungsgebiete. Deshalb ist in dieser Arbeit eine Steuerung entworfen worden, die unabhängig von einem Strommesswert arbeitet. Der Stromverlauf lässt sich im Grenzbetrieb durch proportionale Gleichungen beschreiben und dementsprechend gut auf einem FPGA berechnen. Eine Spannungsmessung ist für die Berechnung weiterhin erforderlich.

Für die sichere Detektion der Taktperiodengrenze ist eine zusätzliche Schaltung nötig. In dieser Arbeit wird eine neuartige Auswertung der Spulenspannung mit einem Komparator auf schwebendem Potential präsentiert. Das Statussignal wird in einem Zustandsautomat verarbeitet und eignet sich zudem für den quasi-resonanten Betrieb. Valley- und Zero-Voltage-Switching nach Stand der Technik können die Verluste im Betrieb mit niedriger Last reduzieren.

Um die Vorteile eines mehrphasigen Wandlers zu nutzen, müssen die Phasen im Betrieb den korrekten zeitlichen Versatz aufweisen. Der Grenzbetrieb erschwert durch die variable Schaltfrequenz allerdings die Phasenregelung. Deshalb sind zwei unterschiedliche Master/Slave-Konzepte zur Synchronisation erarbeitet worden. Es hat sich gezeigt, dass eine Leistungsanpassung in den Slave-phasen besonders gut statische Fehler ausregelt. Im Gegensatz dazu hat das Einfügen zusätzlicher Valleys (Valley-Skipping) ein vorteilhaftes Verhalten bei Sollwertsprüngen aufgewiesen. Beide Algorithmen sind in eine Steuerung integriert worden, wodurch die Stärken kombiniert werden.

Mit Simulationen wurde die Funktion während des Entwicklungsprozesses geprüft und optimiert. Anschließend wurde die Steuerung in der Hardwarebeschreibungssprache VHDL implementiert und die Hilfsplatine in Betrieb genommen. Zum Abschluss wurde der Algorithmus an einem bereitgestellten Wandler getestet. Die Phasen schalten quasi-resonant und werden erfolgreich synchronisiert. Die Arbeit legt somit die Grundlage für die Implementierung von Hardwareerweiterung und Steuerung in neue Wandler. Dies wird die Effizienz moderner Gleichspannungswandler weiter steigern.

Abstract

Current sensors are a crucial element in the control of DC-DC converters. Sensorless systems represent a promising area of study to reduce size and costs. Therefore this work designs a new control that is independent of a current measurement. In Boundary-Conduction-Mode, the current waveform can be described by proportional equations that are suitable for being calculated on an FPGA. A live voltage measurement is still required for proper calculations.

An extra circuit is required to safely detect the switching period boundary. This work presents a new approach by evaluating the inductor voltage with a comparator on floating potential. This status signal is processed in a state machine and is further suitable for quasi-resonant operation. State of the art techniques like Valley- and Zero-Voltage-Switching can help reduce losses in low load operation.

The phases of an interleaved converter need correct offsets to utilize the advantages of a multiphase system. The Boundary-Conduction-Mode complicates the phase control by its inherent variable frequency. Hence two different master/slave concepts were developed. A power adjustment proved to be suited to compensate steady-state errors. On the contrary, adding further valleys (valley skipping) has beneficial behavior at setpoint changes. Both algorithms were integrated into a single control, combining their advantages.

The functionality was evaluated and optimized during development by simulations. Afterwards the control was implemented in hardware description language VHDL and the circuit was commissioned. Finally the algorithm was tested on a provided converter. The phases operate in quasi-resonant mode while being successfully synchronized. Therefore this work establishes the basis to implement the hardware supplement and control into new converters. This will further increase the efficiency of modern DC-DC converters.

Bearbeiter: Simon Jung

Betreuer: Stefan Matlok (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761176; Email: Stefan.Matlok@iisb.fraunhofer.de;

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März