Simulation eines digitalen Regelalgorithmus für die aktive Blindleistungskompensation

Wichtigste Erkenntnisse

• Die aktive Leistungsfaktorkorrektur funktioniert am besten, wenn der Gleichrichter, die Messkette und der abgetastete Regler als ein System modelliert und nicht als separate Komponenten abgestimmt werden.
• Die Strom- und die Spannungsschleife erfordern unterschiedliche Bandbreitenprioritäten, und beide müssen unter extremen Leitungs- und Lastbedingungen überprüft werden, bevor die Hardware bereitgestellt wird.
• Der Leistungsfaktor ist nur ein Ergebnis, daher müssen bei der Vorab-Hardware- Tests en auch Verzögerungen, Welligkeit, Sättigung, Quantisierung und das Startverhalten berücksichtigt werden.

Eine präzise digitale PFC-Simulation spart Zeit bei der Neuentwicklung und verhindert Effizienzverluste, noch bevor eine Leiterplatte vorliegt.

Die aktive Leistungsfaktorkorrektur formt den Eingangsstrom des Gleichrichters so, dass er der Netzspannung folgt und den Oberwellenanteil gering hält. Die Schwierigkeit liegt nicht allein in der Aufwärtsstufung. Die Schwierigkeit liegt vielmehr in der Wechselwirkung zwischen dieser Stufe und einem abgetasteten Regler mit Erfassungsverzögerung, Tastgradbegrenzungen und Welligkeit auf dem Gleichstrombus. Rechenzentren verbrauchten im Jahr 2022 etwa 240 TWh Strom, was verdeutlicht, warum wiederkehrende Verluste im Frontend bei Schaltnetzteilen von Bedeutung sind.

Sie erzielen bessere Regelungsergebnisse, wenn die Anlage und der digitale Regelkreis von Anfang an als ein einziges System modelliert werden. Mit diesem einheitlichen Modell können Sie die Verstärkungen an das tatsächliche Verhalten des Umrichters anpassen, Abtasteffekte bereits vor Beginn der Layout-Arbeiten überprüfen und unzutreffende Annahmen aufdecken, die bei einem reinen Papierentwurf verborgen bleiben würden. Eine gute Simulation ist keine abschließende Überprüfung. Sie ist der Ort, an dem die aktive Leistungsfaktorregelung ihre Stabilität erlangt.

Eine aktive Leistungsfaktorkorrektur sorgt für einen sinusförmigen Eingangsstrom

Durch die aktive Leistungsfaktorkorrektur zieht der Gleichrichter einen Strom, der dem Verlauf der Netzspannung entspricht. Ein guter Regler sorgt dafür, dass der Strom nahezu sinusförmig verläuft, phasenmäßig eng mit dem Netz verbunden ist und trotz Last- und Netzschwankungen stabil bleibt. Eine digitale Regelung verbessert den Leistungsfaktor, wenn die Erfassungs- und Aktualisierungszeitpunkte korrekt modelliert sind. Bei einem rein kontinuierlichen Entwurf bleiben diese diskreten Effekte unberücksichtigt.

Betrachten wir ein 1-kW-Netzteil bei 230 V Wechselspannung ohne aktive Stromprofillassung. Die Brückengleichrichter und der Hauptkondensator verursachen schmale Stromspitzen nahe dem Spannungsspitzenwert, was den Effektivstrom erhöht und die Eingangskomponenten belastet. Eine Boost-PFC-Stufe ändert dieses Verhalten, da der Regler den Induktivitätsstrom in jedem Schaltzyklus festlegt. Man ist nicht mehr auf passive Ladeimpulse angewiesen. Man steuert die Stromwellenform aktiv.

Diese Unterscheidung ist bei der Simulation von Bedeutung, da die Stromreferenz allein nicht ausreicht. Die ADC-Skalierung, das PWM-Aktualisierungs-Timing, die Filterung des Stromsensors und die Buswelligkeit verschieben die endgültige Wellenform. Ein Modell, das diese Faktoren nachbildet, zeigt Ihnen, wie die digitale Regelung den Leistungsfaktor verbessert und wo sie ihn auch beeinträchtigen kann. Das ist die praktische Antwort auf die Frage, was aktive Leistungsfaktorkorrektur in einem Schaltnetzteil ist.

Boost PFC eignet sich für die meisten Frontends von Schaltnetzteilen

Der Boost-PFC-Gleichrichter eignet sich für die meisten Offline-Schaltnetzteile, da er den Eingangsstrom konstant hält und die Gleichstrom-Bus-Spannung über der Netzspitzenspannung hält. Dadurch ist die Regelung einfacher als bei vielen anderen Methoden zur Leistungsfaktorkorrektur. Außerdem erfüllt er die gängigen Anforderungen an universelle Eingangsspannungen gut. Nicht ohne Grund beginnt die Arbeit an den meisten digitalen PFC-Lösungen genau hier.

Ein typisches Beispiel ist eine Wechselstromversorgung von 90 bis 264 V, die einen geregelten Bus von 390 V bis 400 V benötigt. Die Aufwärtswandlerstufe besteht aus einer Induktivität, einem Schalter, einer Diode oder einem synchronen Pfad sowie einer übersichtlichen Regelungsstruktur mit einem inneren Stromregelkreis und einem äußeren Spannungsregelkreis. Es gibt zwar auch andere Verfahren zur Leistungsfaktorkorrektur, darunter passive Filter und brückenlose Varianten, doch diese bringen Kompromisse hinsichtlich Größe, Leitungsweg oder Regelungsaufwand mit sich.

Der gängige Oberschwingungsstandard für viele Frontends gilt für Geräte mit einem Eingangsstrom von bis zu 16 A pro Phase, wodurch eine breite Palette kommerzieller Netzteile unter denselben Konformitätsrahmen fällt. Aus diesem Grund bleibt die Boost-PFC die Standardlösung, wenn man fragt, welche Methoden der Leistungsfaktorkorrektur für Schaltnetzteile geeignet sind. Ihre Einschränkungen sind bekannt, und das damit verbundene Regelungsproblem ist gut genug strukturiert, um es vor der Hardwareentwicklung eingehend zu simulieren.

Eine Simulation sollte die zeitlichen Abläufe der Firmware zur Anlagensteuerung berücksichtigen

Eine aussagekräftige PFC-Simulation vereint die Leistungsstufe, die Messkette, das PWM-Timing und das Timing des Steuerungscodes in einem einzigen Modell. Dies ist der beste Weg, um einen PFC-Regelkreis vor der Hardware-Implementierung zu modellieren. Getrennte Untersuchungen des Regelobjekts und des Reglers verschleiern Wechselwirkungen, die sich später in einem schlechten Leistungsfaktor oder instabilen Verstärkungswerten äußern. Ein einziges Modell gewährleistet ein korrektes Timing.

Ein praktisches Modell umfasst die Wechselstromquelle, die Brücke, die Boost-Induktivität, den Schalter, den Ausgangskondensator, die Last, die Strommessverstärkung, den Spannungsteiler, den ADC-Abtastzeitpunkt, die Steuerungs-Interrupt-Rate und die Aktualisierung des PWM-Tastverhältnisses. Ein Regler, der in einer kontinuierlichen Übertragungsfunktion stabil erscheint, kann seine Phasenreserve verlieren, sobald diese Zeitblöcke eingefügt werden. Genau an dieser Stelle weichen viele Entwürfe auf dem Papier von der Hardware ab. Das fehlende Detail ist selten ungewöhnlich. Meist handelt es sich um eine Verzögerung von einem Zyklus, die niemand modelliert hat.

SPS SOFTWARE eignet sich für diesen Arbeitsablauf, da Sie die Gleichrichterstufe und die digitale Regelschleife in dasselbe physikbasierte Modell integrieren und die Funktionsweise der einzelnen Blöcke überprüfen können. Dies ist wichtig, wenn Sie eine CCM-Regelung mit fester Frequenz mit einem Fall bei geringerer Last vergleichen, bei dem Messrauschen und die Auflösung der Tastverhältnisregelung das Ergebnis beeinflussen. Die Auswahl der Verstärkung wird so zu einer Modellierungsaufgabe und nicht zu einer Nacharbeit an der Leiterplatte.

„Getrennte Untersuchungen der Anlage und des Reglers verschleiern Wechselwirkungen, die sich später in einem schlechten Leistungsfaktor oder einer instabilen Verstärkungswahl äußern.“

Das diskrete Modell muss die Auswirkungen von Abtastverzögerungen berücksichtigen

Eine digitale PFC-Regelschleife liefert nur dann realistische Simulationsergebnisse, wenn die Abtastverzögerung, die Rechenverzögerung und die PWM-Aktualisierungsverzögerung explizit berücksichtigt werden. Jede dieser Verzögerungen führt zu einer Phasenverzögerung. Diese Verzögerung schränkt die Bandbreite der Stromregelkreisschleife ein und verändert das Transientenverhalten. Schon ein einziger fehlender Verzögerungsterm reicht aus, damit eine grenzwertige Regelschleife auf dem Bildschirm einwandfrei aussieht.

Nehmen wir einen Regler, der den Induktionsstrom etwa in der Mitte einer Schaltperiode abtastet und den neuen Tastgradbefehl erst im nächsten Zyklus anwendet. Diese Abfolge führt bereits zu einer Verzögerung, noch bevor die Quantisierung berücksichtigt wird. Fügt man dem Stromsignal noch einen kleinen Eingangsfilter hinzu, entsteht eine größere Verzögerung, als der Kompensator ausgelegt ist. Das Ergebnis ist bekannt: Stromverzerrungen in der Nähe der Nulldurchgänge, Überschwingen bei Lastsprüngen oder hörbare Belastungsgeräusche in magnetischen Bauteilen.

Sie sollten außerdem das Hold-Verhalten nullter Ordnung und die Skalierungsgrenzen des Sensors darstellen. Dadurch erhalten Sie dieselben Informationen, die auch die Firmware tatsächlich erhält, und nicht etwa eine idealisierte Wellenform, die kein ADC jemals auslesen könnte. Sobald diese Elemente vorliegen, wird der beste Weg zur Abstimmung eines digitalen PFC-Regelkreises deutlich klarer. Sie stimmen ein diskretes System mit Verzögerung ab, nicht ein imaginäres analoges.

Die Stromschleifenabstimmung sorgt für Stabilität über den gesamten Schaltbereich

Die innere Stromregelungsschleife bestimmt, wie gut der Eingangsstrom seiner Referenz bei Schwankungen der Netzspannung und der Last folgt. Eine stabile Regelung erfordert eine Bandbreite, die schnell genug ist, um den Strom zu formen, aber langsam genug, um digitale Verzögerungen und Schaltwelligkeit zu tolerieren. Eine gute Regelung wird über den gesamten Betriebsbereich gemessen, nicht nur an einem Nennpunkt. Genau hier scheitern viele digitale Regelkreise unbemerkt.

Ein gängiger Ansatz besteht darin, die Übergangsfrequenz deutlich unterhalb der Abtastfrequenz festzulegen und diese dann bei niedriger Netzspannung, hoher Netzspannung, geringer Last und Volllast zu überprüfen. Eine Schaltung, die nur auf 230 V Wechselspannung und Nennlast abgestimmt ist, kann dort einwandfrei funktionieren und dennoch bei 90 V Wechselspannung stark schwingen. Die Verstärkung der Aufwärtswandlerschaltung ändert sich mit dem Arbeitspunkt, ebenso wie der Effekt der Sättigung im Arbeitszyklus. Der Spielraum für den Stromsollwert verringert sich zudem, wenn die Netzspannung niedrig und die Leistung hoch ist.

Sie erzielen ein besseres Ergebnis, wenn Sie zunächst die Betriebsbedingungen durchgehen, bevor Sie an der Hardware vornehmen. Beobachten Sie die Phasenreserve, den Stromnachlauffehler und das Nulldurchgangsverhalten auf denselben Diagrammen. Ein Regelkreis, der diese Fälle übersteht, verhält sich in der Regel auch auf dem Prüfstand gut. Ein Regelkreis, der nur an einem Betriebspunkt gut aussieht, ist noch nicht richtig abgestimmt.

Bei der Abstimmung der Spannungsschleife müssen durch Netzwelligkeit verursachte Verzerrungen unterdrückt werden

Die äußere Spannungsregelungsschleife legt die Gleichstrom-Sammelschienenregelung fest und muss langsam genug sein, um zu vermeiden, dass eine Welligkeit im Zweifachen der Netzfrequenz in die Stromreferenz gelangt. Reagiert sie zu stark auf diese Welligkeit, verzerrt die Stromregelungsschleife den Netzstrom. Eine gute Abstimmung der Spannungsregelungsschleife schützt den Leistungsfaktor, indem sie ruhig bleibt. Eine stabile Sammelschienenregelung ist weniger wichtig als ein sauberer Strom, wenn die Bandbreite der Regelungsschleife schlecht gewählt ist.

Stellen Sie sich eine 400-V-Gleichstromschiene vor, die aus dem 50-Hz-Netz gespeist wird. Nach der Gleichrichtung tritt auf der Schiene eine Welligkeit mit 100 Hz auf, und der äußere Regelkreis wird dieser Welligkeit nachlaufen, wenn seine Übergangsfrequenz zu hoch eingestellt ist. Dieses Nachlaufen zeigt sich als modulierte Stromreferenz, die wiederum die Eingangsstromwellenform verzerrt. Die Schienenregelung kann auf einem langsamen Diagramm zwar noch einwandfrei aussehen, während sich die Netzqualität jedoch verschlechtert. Sie müssen beide Ansichten gleichzeitig geöffnet haben.

Diese Checkpoint-Ansicht ist aussagekräftiger als ein einzelnes Bode-Diagramm. Sie suchen nach Wechselwirkungen, nicht nach isolierten Verstärkungen. Die Abstimmung der äußeren Regelschleife gilt nur dann als gut, wenn sie die Stromqualität gewährleistet und gleichzeitig den Bus innerhalb seines Sollbereichs hält.

Der Leistungsfaktor allein kann Probleme im Regelkreis verschleiern

Der Leistungsfaktor ist wichtig, stellt jedoch kein vollständiges Maß für die Qualität des Stromkreises dar. Ein Netzteil kann einen hohen Leistungsfaktor aufweisen und dennoch eine schlechte Stromwellenform, ein schwaches Transientenverhalten oder wiederholte Sättigung in der Nähe der Nulldurchgänge der Netzspannung zeigen. Sie benötigen eine umfassendere Reihe von Prüfungen. Eine gute aktive Leistungsfaktorkorrektur lässt sich an den Wellenformen erkennen, nicht nur an einem einzigen angegebenen Wert.

Ein Netzteil, das nahe der Nennlast betrieben wird, weist oft einen hohen Leistungsfaktor auf, einfach weil der Durchschnittsstrom der Netzspannung recht gut folgt. Dasselbe Gerät kann dennoch eine spürbare hochfrequente Welligkeit im Induktivitätsstrom, eine langsame Erholung nach einem Lastsprung oder ein Überschwingen der Spannungsregelungsschleife aufweisen, das den Netzstrom an jeder Spitze ablenkt. Diese Probleme lassen sich in der Hardware nicht beseitigen. Sie machen sich später im Projektverlauf in Form von Einhaltungsmargenverlusten, thermischer Belastung oder umständlicher Abstimmung bemerkbar.

Zu den nützlichen Prüfpunkten gehören der aktuelle THD-Wert, die Spannungswelligkeit am Bus, das Überschwingen der Stromschleife, das Clipping des Tastverhältnisses und das Verhalten beim Netz-Nulldurchgang. Jeder dieser Punkte weist auf eine andere Schwachstelle hin. Der Leistungsfaktor gibt Aufschluss darüber, ob das Regelziel erreicht wurde. Die anderen Diagramme zeigen, wie sauber dies erreicht wurde und wie viel Spielraum tatsächlich vorhanden ist.

Vor dem Hardware-Build: Test der Quantisierungs- und Sättigungsgrenzwerte beim Systemstart

Bevor die Hardware gebaut wird, sollten Sie die digitalen Grenzen testen, die bei der theoretischen Auslegung außer Acht gelassen werden. Quantisierung, Duty-Sättigung, Soft-Start-Verhalten, Sensor-Offsets und Lasttransienten verändern das Verhalten des Reglers auf eine Weise, die ein sauberes, kontinuierliches Modell nicht berücksichtigen kann. Diese Überprüfungen machen aus einer plausiblen Regelschleife eine realisierbare. Außerdem reduzieren sie Überraschungen im Labor, die Wochen an Zeit verschwenden.

Mit einer kurzen Testreihe vor der Hardware-Implementierung lassen sich die meisten kostspieligen Fehler erkennen:

• Verwenden Sie eine realistische ADC- und PWM-Auflösung, damit Verzerrungen bei niedrigen Strömen sichtbar werden.
• Den Arbeitszyklus festlegen und sicherstellen, dass die Erholung nach der Sättigung stabil bleibt.
• Beginnen Sie mit einem leeren Buskondensator und beobachten Sie den Soft-Start-Strom und das Bus-Überschwingen.
• Fügen Sie einen Sensor-Offset und einen Verstärkungsfehler ein, um zu sehen, wie sich die Stromformung verändert.
• Die Last bei niedriger und hoher Spannung schrittweise erhöhen, um eine geringe Schleifenreserve aufzudecken.

In diesem Bereich hört die digitale PFC-Regelung auf, nur eine Skizze zu sein, und wird zu einem ingenieurtechnischen Ergebnis. Es geht nicht darum, zu beweisen, dass ein Regler funktionieren kann. Vielmehr soll nachgewiesen werden, dass er auch dann weiterhin funktioniert, wenn Zeitabläufe, Grenzwerte und nicht-ideale Signale vorliegen. SPS SOFTWARE eignet sich gut für diesen abschließenden Schritt, da der Wandler und der Regelkreis innerhalb eines transparenten Modells bewertet werden können, in dem die Wahl der Verstärkungsfaktoren und die Abtastungseffekte bereits vor der Fertigung der Platine sichtbar sind.

„Der Leistungsfaktor zeigt an, dass das Regelziel erreicht wurde. Die anderen Diagramme geben Aufschluss darüber, wie präzise dies gelungen ist und wie viel Spielraum tatsächlich noch vorhanden ist.“