DC-DC Wandlersteuerung

Bei DC-DC-Wandlern (auch: Gleichspannungswandler) handelt es sich um leistungselektronische Schaltkreise, die Gleichstrom (DC) von einem Spannungsniveau in ein anderes umwandeln. DC-DC-Wandler sind in verschiedenen Topologien erhältlich, darunter Buck (Abwärtswandler), Boost (Aufwärtswandler), Buck-Boost (fähig sowohl zum Hoch- als auch zum Herunterwandeln) sowie komplexere Entwicklungen wie der Single-Ended Primary-Inductor Converter (SEPIC). Bei der DC-DC Wandlersteuerung 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 Wandlersteuerung

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 DC-DC Wandlersteuerung. Mit einer regelkreisbasierten Simulation der Endstufe und den Regelungsalgorithmen können Sie Entwurfsentscheidungen vor der Implementierung bewerten und verifizieren.

Mithilfe von Simulation als Bestandteil dieser wichtigen Entwurfsaufgaben können Sie sicherstellen, dass Ihre DC-DC Wandlersteuerung 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 dynamischen Leistung und Stromqualität
• Prototyping und Implementierung des digitalen Reglers auf einem eingebetteten Mikroprozessor oder FPGA

Mit Simulink können Sie Ihre DC-DC Wandlersteuerung entwerfen, validieren und implementieren und dabei stets davon ausgehen, dass sie 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 sowie 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.
• Periodische stationäre Arbeitspunkte für schaltende DC-DC-Wandler berechnen, um Anlauftransienten zu eliminieren, die Simulation zu beschleunigen und genaue Betriebsbedingungen für die Frequenzgangabschätzung bereitzustellen. 
• Systemidentifikationsverfahren nutzen, um ein parametrisches Modell anzupassen, sowie klassische Regelentwicklungsverfahren wie Bode- und Wurzelortskurvenanalyse anwenden. 
• Regler-Verstärkungsfaktoren in einer oder mehreren Rückkopplungsschleifen mithilfe automatischer Optimierungstools optimieren. Gain-Scheduling-Regler zur Berücksichtigung von variierenden Arbeitspunkten entwerfen.
• Die Echtzeit-Ausführung Ihrer Leistungswandlerregelungen in Hardware-in-the-Loop (HIL)-Systemen testen, bevor Sie diese 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 Algorithmen für DC-DC Wandlersteuerungen 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 DC-DC Wandlersteuerungen mit MATLAB und Simulink finden Sie unter Simulink Control Design™, Control System Toolbox™ und HDL Coder™.