Simulation von „Flying-Capacitor“-Wandlern für mehrstufige Schaltungen

Wichtigste Erkenntnisse

• Ein „Flying-Capacitor“-Wandler erreicht seinen Wirkungsgrad und seine Leistungsdichte nur, solange jeder Kondensator seine Sollspannung hält, und das Schaltmuster ist das Einzige, was diese Spannung aufrechterhält.
• Der natürliche Ausgleich erfolgt langsam und lässt bei geringer Last, während Bus-Schritten und beim Anfahren nach, weshalb ein aktiver Ausgleich parallel zur Stromschleife konzipiert und nachgewiesen werden muss.
• Durchschnittliche Modelle verbergen die Kondensatordrift, weshalb ein schaltgenaues Modell, das in Echtzeit gegenüber dem Regler läuft, die praktikabelste Methode zur Validierung der Mehrpegelregelung darstellt.

Ein „Flying-Capacitor“-Wandler bietet nur dann Vorteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Leistungsdichte, wenn jeder Kondensator seinen Anteil an der Busspannung hält, und um dies nachzuweisen, ist ein Modell erforderlich, das jeden Schaltvorgang nachbildet.

Die Vorteile dieser Topologie lassen sich leicht messen. Ein an der University of California, Berkeley, entwickeltes „Flying-Capacitor“-Modul mit 10 Ebenen erreichte 38,4 kW/kg bei einem Spitzenwirkungsgrad von 98,95 %. Diese Leistungssteigerungen ergeben sich aus der Aufteilung der Busspannung auf zahlreiche Niederspannungsschalter, wodurch der Filter verkleinert werden kann.

Der Haken daran ist, dass nichts diese Kondensatorspannungen aufrechterhält – außer dem Schaltmuster selbst. Die Balance driftet ab, wenn sich Timing, Last oder Busspannung verändern, weshalb dies der Teil des Designs ist, bei dem man sich keine Ungenauigkeiten leisten kann. Ein schaltgenaues Modell, das zunächst offline und anschließend in einer Echtzeitsimulation mit dem tatsächlichen Regler abgeglichen wird, ist die Methode, mit der man die Mehrpegelregelung unter den Bedingungen testet, die zu Störungen führen.

Was ein „Flying-Capacitor“-Wandler in einer Mehrpegelstufe bewirkt

Ein „Flying-Capacitor“-Wandler ist eine Mehrpegel-Topologie, bei der Zwischenspannungspegel aus Kondensatoren aufgebaut werden, die zwischen in Reihe geschalteten Schalterpaaren schweben. Jeder Kondensator speichert einen festen Anteil der Busspannung, sodass jeder Schalter nur eine Spannungsstufe davon blockiert. Der Ausgangsfilter sieht kleinere Spannungsstufen bei einer höheren effektiven Frequenz.

Ein generischer 5-Stufen-Zweig an einer 800-V-Sammelschiene verwendet 4 komplementäre Schalterpaare und 3 „Flying Capacitors“, die auf 200 V, 400 V und 600 V geladen sind. Jeder Schalter sperrt 200 V ab. Bei phasenverschobenen Trägerfrequenzen von 100 kHz pro Paar liegt an der Induktivität eine Welligkeit von 400 kHz an.

Diese Berechnung erklärt, warum Solarwechselrichter, Flugzeugantriebe und Leistungsstufen in Rechenzentren diese Topologie nutzen. Jeder Spannungspegel besteht nur so lange, wie die Kondensatoren ihre Sollwerte halten, und es gibt kein Klemmnetzwerk, das dies erzwingt.

So funktioniert der Spannungsausgleich bei „Flying Capacitors“ durch Schalten

Der Spannungsausgleich durch fliegende Kondensatoren funktioniert, weil der Laststrom während einer Schaltperiode in beide Richtungen durch jeden Kondensator fließt. Ein Schaltzustand lädt einen Kondensator auf, ein entgegengesetzter Zustand entlädt ihn. Wenn jedes Schalterpaar denselben Tastgrad mit gleichmäßig versetzten Trägern aufweist, heben sich die beiden Ladungen auf und die Spannung bleibt konstant.

Ein dreistufiger Schaltkreis veranschaulicht den Mechanismus anschaulich. Bei beiden Schaltzuständen liegt die Hälfte der Busspannung am Ausgang an. Der eine leitet den Induktionsstrom in den einzelnen „fliegenden“ Kondensator, der andere zieht denselben Strom wieder ab. Bei der phasenverschobenen Modulation werden beide Zustände gleich lang eingenommen, sodass sich der Kondensator ohne Sensor auf die Hälfte der Busspannung einpendelt. Ingenieur:innen bezeichnet dies als „natürlichen Ausgleich“. Seine Rückstellkraft entsteht durch Welligkeitsstrom und Schaltungsverluste, die auf jede Unwucht einwirken; daher verläuft dieser Prozess langsam und skaliert mit der Höhe der vom Arbeitspunkt erzeugten Welligkeit.

Warum der natürliche Ausgleich unter praktischen Betriebsbedingungen versagt

Der natürliche Ausgleich versagt, wenn die einem Kondensator zugeführte Ladung nicht mehr der entnommenen Ladung entspricht oder wenn der Ausgleichswelligkeitsstrom zu gering wird, um einen Fehler zu korrigieren. Zeitabweichungen beim Gate-Timing, geringe Last, Spannungsschwankungen am Bus und der Anlaufvorgang führen jeweils zu einer dieser Situationen, wodurch jeweils Spannungen auf Schalter übertragen werden, die dafür nicht ausgelegt sind.

Stellen wir uns eine Duty-Mismatch von 1 % zwischen zwei Schalterpaaren vor, die durch ungleiche Gate-Treiber-Verzögerungen verursacht wird. Bei 100 kHz entspricht dies einem Fehler von 100 ns. Dadurch wird in jedem Zyklus eine geringe Nettoladung in einen Kondensator gepumpt, und die Spannung driftet vom Sollwert ab, bis sie durch Schaltungsverluste gestoppt wird. 

„Am Ausgang ist alles in Ordnung, bis ein Schalter seine Nennleistung überschreitet.“

Bus-Transienten sind heftiger. Wenn die 800-V-Bus-Spannung, die einen 5-stufigen Zweig speist, um 100 V ansteigt, verschieben sich die Zielwerte der Kondensatoren auf 225 V, 450 V und 675 V, doch die Kondensatoren reagieren mit der langsamen natürlichen Ausgleichsgeschwindigkeit. Bis sie den Rückstand aufgeholt haben, trägt das dem Bus am nächsten gelegene Schalterpaar den größten Teil der zusätzlichen Spannung.

Jede Bedingung stellt bestimmte Anforderungen an das Modell.

Wie man einen Flying-Capacitor-Wandler mit aktiver Lastverteilung steuert

Sie steuern einen fliegenden Kondensatorwandler mit zwei Regelkreisen, die sich dieselben Schalter teilen. Ein äußerer Regelkreis regelt den Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung über den durchschnittlichen Tastgrad. Ein Ausgleichsregelkreis passt anschließend den Tastgrad oder die Wahl des redundanten Schalterzustands für jedes Paar an, sodass jeder Kondensator wieder seinen Sollwert erreicht.

Die Ausgleichsschleife benötigt die Kondensatorspannungen. Ein 6-stufiger Zweig umfasst vier frei angeordnete Kondensatoren, die jeweils auf einem anderen Potential schweben, und ein isolierter Sensor an jedem einzelnen erhöht die Kosten und verursacht Verzögerungen. In vielen Entwürfen werden die Spannungen stattdessen geschätzt, wodurch die Qualität des Ausgleichs von den Abtastzeitpunkten und der Abstimmung des Schätzers abhängt.

Die beiden Regelkreise wirken zudem aufeinander ein. Eine Ausgleichskorrektur stört den Ausgangsstrom, und ein schneller Stromregelkreis wirkt dem entgegen. Man legt die Bandbreite des Ausgleichsreglers unterhalb der des Stromreglers fest und muss dann nachweisen, dass das System sich dennoch rechtzeitig von einem Bussprung erholt. Ein auf dieser Topologie basierender dreiphasiger 1,5-kV-Solarwechselrichter mit 15 kW Leistung, der an der University of Illinois entwickelt wurde, wies eine gesamte harmonische Verzerrung von weniger als 0,25 % auf, und in derselben Forschungsarbeit wurden der aktive Ausgleich und der Startvorgang als wesentliche Vorteile genannt.

Was eine Simulation eines „Flying-Capacitor“-Mehrpegel-Systems leisten muss

Bei einer Mehrpegel-Simulation mit „Flying Capacitors“ muss jedes Schaltgeschehen jedes Schalterpaares berücksichtigt werden, da der Kondensatorausgleich von den zeitlichen Abweichungen zwischen ihnen abhängt. Ein gemitteltes Modell ersetzt die Schalter durch pulsbreitenmodulierte Quellen und geht davon aus, dass sich die Kondensatoren auf ihren Sollwerten befinden. Es sagt den Ausgang gut voraus, liefert jedoch keine Informationen zum Ausgleich.

Die zeitliche Auflösung ist die erste Anforderung. Ein 100-kHz-Träger hat eine Schaltperiode von 10 µs, und die Abweichung, die zu einer Drift führt, beträgt etwa 100 ns. Ein Solver mit festem Schritt, der Gate-Flanke nur auf einem 1-µs-Raster erfasst, rundet diese Abweichung weg oder erzeugt eine. Das Modell muss jede „ Vorteil “ zwischen den Schritten platzieren oder so fein schreiten, dass die Rundung keine Rolle spielt.

Die Details zu den Bauteilen und parasitären Effekten spielen eine untergeordnete Rolle. Die Totzeit, die Richtung des Induktivitätsstroms bei jeder Kommutierung und der Serienwiderstand des Kondensators beeinflussen alle, wie viel Ladung pro Zyklus transportiert wird. 

„Lässt man sie weg, ist das Modell besser ausbalanciert als das Modell ‚ hardware ‘.“

Die Lauflänge ist der dritte Druckfaktor. Die Ausgleichsdynamik entfaltet sich über Tausende von Schaltzyklen, und jeder Zyklus erfordert eine hohe Auflösung. Offline-Inbetriebnahmeuntersuchungen laufen so langsam ab, dass Ingenieur:innen beginnt, Fälle auszulassen.

Erstellung eines Echtzeitmodells eines fliegenden Kondensatorwandlers

Ein Echtzeitmodell eines fliegenden Kondensatorwandlers steuert die Schaltpegel-Schaltung auf einem FPGA, sodass die Spannung jedes Kondensators innerhalb eines Zeitschritts berechnet wird, der weit kürzer ist als die Schaltperiode. Ihr Serien-Controller wird über seine eigenen Tor- und Sensorsignale angeschlossen.

Hierbei handelt es sich um „hardware-in-the-Loop“ Tests, angewendet auf genau das Verhalten, das gemittelte Modelle nicht abbilden können. OPAL-RT-Simulatoren führen leistungselektronische Schaltungen auf FPGA-basierten Solvern wie eHS aus; auf diese Weise gelangt das von Ihrem Regler erzeugte Gate-Timing zu den simulierten Kondensatoren. Da der Regler in den Regelkreis eingebunden ist, können Sie Szenarien durchspielen, die an einem Prototypen zu riskant wären, und diese nach jeder Firmware-Aktualisierung wiederholen. Diese fünf Szenarien decken den Großteil der Faktoren ab, die das Gleichgewicht stören.

• Start mit entladenen Kondensatoren und aktiver Vorlade-Sequenz
• Spannungssprünge und -abfälle auf der Busleitung bei Volllast und geringer Last
• Lastabfälle, die den Induktionsstrom umkehren
• Absichtliche Fehlanpassung der Gate-Verzögerung bei einem einzelnen Schalterpaar
• Ausfall der Spannungsmessung an einem Kondensator während des Betriebs

Was muss überprüft werden, bevor man einem Entwurf für einen fliegenden Kondensator vertrauen kann?

Überprüfen Sie das Gleichgewicht unter Störbedingungen, bevor Sie sich auf Effizienz- oder Dichteangaben verlassen. Ein „Flying-Capacitor“-Design ist solide, wenn jeder Kondensator nach dem Hochlauf, einem Bus-Sprung, einem Lastabfall und einem Timing-Fehler wieder seinen Sollwert erreicht und wenn jeder Schalter während dieser Wiederherstellung innerhalb seiner Nennspannung bleibt.

Teams, die hier Fehler machen, stimmen den Stromregelkreis in der Regel anhand eines gemittelten Modells ab, überprüfen die stationären Wellenformen an einem Prototyp und stehen vor dem Problem der Lastabgleichung, wenn ein Gerät während eines nicht simulierten transienten Zustands ausfällt. Indem man den Lastabgleich an erste Stelle setzt, kehrt man diese Reihenfolge um. Man beginnt mit dem Schaltmodell, legt die Störfälle als Bestehens- und Fehlkriterien fest und führt sie bei jeder Überarbeitung des Regelcodes erneut durch.

OPAL-RT erfasst den Spannungsausgleich der fliegenden Kondensatoren in Echtzeit, sodass Ihre mehrstufige Regelung anhand derselben Dynamik validiert wird, die sie destabilisiert, bevor Siliziumkomponenten einem Risiko ausgesetzt sind. Der Selbstausgleich des Wandlers ist anfällig, und das ist akzeptabel. Ein anfälliges Verhalten, das Sie über jeden Betriebspunkt hinweg gemessen haben, können Sie bei der Auslegung berücksichtigen.