Einführung in die Regelung für DC-DC-Wandler

Bei DC-DC-Wandlern handelt es sich um leistungselektronische Schaltkreise, die Gleichstrom (DC) von einem Spannungsniveau in ein anderes umwandeln. DC-DC-Wandler können verschiedene Topologien aufweisen, darunter Abwärtswandler, Aufwärtswandler, Abwärts-Aufwärts-Wandler (die in der Lage sind, eine höhere und niedrigere Spannung zu erzielen) sowie der komplexere Single-Ended Primary-Inductor (SEPIC). Bei der Regelung für DC-DC-Wandler wird eine hocheffiziente Spannungsumwandlung erzielt, indem Halbleiter-Leistungselemente wie Thyristoren, MOSFETs, IGBTs und Dioden, die Energiespeicherelemente (Induktoren und Kondensatoren) periodisch laden und entladen, in schneller Abfolge geschaltet werden. DC-DC-Wandler sind ein wesentlicher Bestandteil moderner Elektronik, die den Einsatz von Batterien und weiteren Gleichstromquellen in einem breiten Spektrum von Gleichspannungen ermöglichen, die von verschiedenen Komponenten benötigt werden. Regelungsmethoden für diese Wandler sind von entscheidender Bedeutung, um die gewünschte Ausgangsspannung beizubehalten und ein effizientes Energiemanagement unter verschiedensten Lastbedingungen zu gewährleisten.

Reglerentwurf für DC-DC-Wandler

Mithilfe von MATLAB^®- und Simulink^®-Produkten können Ingenieure im Bereich der Leistungselektronik analoge elektronische Komponenten und digitale Regelungsalgorithmen innerhalb der gleichen Simulationsumgebung modellieren. Wenn Ingenieure die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom unter verschiedenen Lastbedingungen und bei schwankender Eingangsspannung regeln müssen, entscheiden sie sich für die digitale Regelung eines DC-DC-Wandlers. Mit einer Regelkreissimulation der Endstufe und der Regelungsalgorithmen können Sie Entwurfsentscheidungen vor der Implementierung bewerten und verifizieren.

Mithilfe von Simulation als Bestandteil dieser wichtigen Entwurfsaufgaben können Sie sicherstellen, dass Ihr Regelungssystem für DC-DC-Wandler fehlerresistent ist und gleichzeitig die Entwurfsspezifikationen erfüllt:

• Entwurf eines Rückkopplungsreglers für die Spannungsregelung
• Optimierung von RLC-Komponenten gleichzeitig mit dem Reglerentwurf
• Schätzung der stationären und dynamischen Eigenschaften der Halbleiterschalter
• Analyse der Dynamikleistung und Stromqualität
• Prototyping und Implementierung des digitalen Reglers auf einem eingebetteten Mikroprozessor oder FPGA

Mit Simulink können Sie Ihr Regelungssystem für DC-DC-Wandler entwerfen, validieren und implementieren und dabei stets davon ausgehen, dass es wie vorgesehen funktioniert, wenn Sie mit den Hardwaretests beginnen. Sie können Folgendes tun:

• Die Endstufe mithilfe von standardmäßigen Schaltkreiskomponenten oder eines vorgefertigten Wandlerblocks modellieren.
• Das Wandlermodell mit verschiedenen Genauigkeitsgraden des Modells simulieren: Durchschnittsmodelle für die Systemdynamik, Verhaltensmodelle für Schaltungsmerkmale und detaillierte nichtlineare Schaltungsmodelle für die Untersuchung parasitärer Effekte und den detaillierten Entwurf.
• Verschiedene Reglerarchitekturen entwerfen, simulieren und vergleichen, einschließlich der Regelung des Spannungs- und Strommodus.
• Klassische Regelungstechniken wie interaktives Loop-Shaping mit Bode- und Wurzelortsdiagrammen auf nichtlineare Wandlermodelle anwenden, die Schalteffekte enthalten. Hierzu nutzen Sie Methoden wie AC-Frequenzgänge oder pseudo-zufällige Binärsequenzen (PRBSs) sowie weitere Systemidentifikationstechniken.
• Regler-Verstärkungsfaktoren in einer oder mehreren Rückkopplungsschleifen mithilfe automatischer Optimierungstools optimieren. Gain-Scheduling-Regler zur Berücksichtigung von variierenden Betriebspunkten entwerfen.
• Die Echtzeit-Ausführung Ihrer Leistungswandlerregelungen in HIL-Systemen (Hardware-in-the-Loop) testen, bevor Sie sie auf einem Hardware-Prototypen verifizieren.
• Häufige Fehler im Reglerentwurf identifizieren und beheben, indem Sie Testfälle generieren, und so potenzielle Schäden an kostspieligen Hardware-Prototypen vermeiden.
• Optimierten und stabilen C/C++ Regelungscode für die Implementierung auf Mikrocontrollern oder synthetisierbaren HDL-Code für die FPGA-Programmierung bzw. das ASIC-Prototyping generieren.

Mithilfe von MATLAB, Simulink und Simscape Electrical™ können Ingenieure Regelungsalgorithmen für DC-DC-Wandler innerhalb einer einzigen Umgebung entwickeln, simulieren und testen. Die detaillierte Modellierung ermöglicht Ihnen die Bewertung der Wandlerleistung in verschiedenen Szenarien und die Ergebnisse lassen sich in Echtzeit visualisieren.

Mit Embedded Coder^® können Sie Produktionscode für den Regler generieren und Hardware-in-the-Loop-Tests durchführen, um die Leistung Ihres DC-DC-Wandlers unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu bewerten. So können Entwickler Risiken reduzieren, die Leistung optimieren und schneller vom Konzept zur marktfähigen Lösung gelangen.

Weitere Informationen über den Entwurf von Regelungen für DC-DC-Wandler mit MATLAB und Simulink finden Sie unter Simulink Control Design™, Control System Toolbox™ und HDL Coder™.