Nichtlineare Regelungs- und Schutzkonzepte für Smart Power ICs
Projektschwerpunkte
- Mathematische Modellierung und Systemanalyse eines Smart Power ICs
- Entwicklung von modellbasierten, digitalen Regelungs- und Schutzfunktionen
- Umsetzung und Verifikation am Versuchsaufbau
Beschreibung
Smart Power ICs werden für das Schalten von Mittel- und Hochstromlasten in automobilen und industriellen Anwendungen eingesetzt. Bild 1 zeigt dazu exemplarisch das Anwendungsgebiet der PROFET™ Smart Power IC Serie von Infineon.
Einsatzgebiet der Infineon PROFET™ Serie. © Infineon Technologies AG.
Smart Power ICs kombinieren Leistungsschalter mit Regelungs- und Schutzfunktionen in einer integrierten Schaltung. Aktuell werden diese Regelungs- und Schutzfunktionen noch größtenteils mit analogen Schaltungen realisiert. Diese analog integrierten Regelungs- und Schutzfunktionen sind erprobt, robust und zuverlässig. Ein großer Nachteil dieser analogen Funktionen ist jedoch unter anderem die geringe Wiederverwendbarkeit des Schaltungsdesigns für unterschiedliche Leistungsklassen und verschiedene Lastfälle. Zudem sind leistungsfähige Regelungs- und Lastschätzalgorithmen nur bedingt mit analogen Schaltungen implementierbar.
Leistungsfähige System on a Chip Lösungen (SoC) ermöglichen es diese Nachteile durch eine digitale Implementierung der Regelungs- und Schutzfunktionen zu umgehen. Dazu werden die charakteristischen Größen des Leistungsschalters gemessen, diskretisiert und im Digitalrechner des SoC weiterverarbeitet. Angesteuert wird der Leistungsschalter mithilfe einer digital steuerbaren Treiberschaltung. Das Grundprinzip eines solchen digitalen Smart Power ICs ist in Abbildung 2 dargestellt.
Grundprinzip eines digitalen Smart Power ICs.
In diesem Projekt wird die Entwicklung von modellbasierten, digitalen Regelungs- und Schutzfunktionen für Smart Power ICs behandelt. Dazu gehören unter anderem die Entwicklung von Optimalsteuerungsstrategien zur Reduzierung der beim Schaltvorgang auftretenden elektromagnetischen Emissionen und die Entwicklung von Lastschätzstrategien.
Ausgewählte Veröffentlichungen
- M. Blank, T. Glück, H-P. Kreuter, and A. Kugi, Adaptive Gatestromprofile für die Schaltflankenregelung von Smart Power ICs zur EMI Reduzierung, in Tagungsband EMV-Fachtagung, Graz, Austria, 2015.
[BibTex]@InProceedings{Blank15, author = {Blank, M. and Gl\"uck, T. and Kreuter, H-P. and Kugi, A.}, title = {{A}daptive {G}atestromprofile f{\"u}r die {S}chaltflankenregelung von {S}mart {P}ower {ICs} zur {EMI} {R}eduzierung}, booktitle = {Tagungsband EMV-Fachtagung}, year = {2015}, volume = {79}, series = {OVE}, publisher = {TU Graz}, month = {4}, isbn = {978-3-85133-085-4}, address = {Graz, Austria}, } - M. Blank, T. Glück, A. Kugi, and H-P. Kreuter, Digital slew rate and S-shape control for Smart Power Switches to reduce EMI generation, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, iss. 9, p. 5170–5180, 2015.
[BibTex] [Download]@Article{Blank14b, Title = {Digital slew rate and {S-shape} control for Smart Power Switches to reduce {EMI} generation}, Author = {Blank, M. and Gl\"uck, T. and Kugi, A. and Kreuter, H-P.}, Journal = {IEEE Transactions on Power Electronics}, Pages = {5170--5180}, Volume = {30}, Year = {2015}, Number = {9}, Doi = {10.1109/TPEL.2014.2361021}, } - M. Blank, T. Glück, A. Kugi, and H-P. Kreuter, EMI Reduction for Smart Power Switches by Iterative Tracking of a Gaussian-shape Switching Transition, in Proceedings of the International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM), Nuremberg, Germany, 2015, p. 1361–1368.
[BibTex] [Download]@InProceedings{Blank15a, author = {Blank, M. and Gl\"uck, T. and Kugi, A. and Kreuter, H-P.}, title = {{EMI} Reduction for Smart Power Switches by Iterative Tracking of a Gaussian-shape Switching Transition}, booktitle = {Proceedings of the International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM)}, year = {2015}, publisher = {VDE VERLAG GMBH, Berlin}, month = {5}, isbn = {978-3-8007-3924-0}, pages = {1361--1368}, url = {http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=7149176}, address = {Nuremberg, Germany}, } - M. Blank, T. Glück, A. Kugi, and H-P. Kreuter, Power Optimal Gate Current Profiles for the Slew Rate Control of Smart Power ICs, in Proceedings of the 19th IFAC World Congress, Cape Town, South Africa, 2014, p. 7190 – 7195.
[BibTex]@InProceedings{Blank14a, author = {Blank, M. and Gl\"uck, T. and Kugi, A. and Kreuter, H-P.}, title = {Power Optimal Gate Current Profiles for the Slew Rate Control of Smart Power ICs}, booktitle = {Proceedings of the 19th IFAC World Congress}, year = {2014}, month = {8}, pages = {7190 -- 7195}, doi = {10.3182/20140824-6-ZA-1003.00124}, address = {Cape Town, South Africa}, } - M. Blank, T. Glück, A. Kugi, and H. P. Kreuter, Modellierung eines Smart High-Side Power ICs, at – Automatisierungstechnik, vol. 61, iss. 12, p. 849–858, 2013.
[BibTex] [Download]@Article{Blank13, Title = {{Modellierung eines Smart High-Side Power {IC}s}}, Author = {M. Blank and T. Gl{\"u}ck and A. Kugi and H.P. Kreuter}, Journal = {at -- Automatisierungstechnik}, Pages = {849--858}, Volume = {61}, Year = {2013}, Number = {12}, Doi = {10.1515/auto.2013.1003}, } - M. Blank, T. Glück, H-P. Kreuter, and A. Kugi, Modellierung eines Smart High-Side Power ICs, in Tagungsband GMA-Fachausschuss 1.30 ”Modellbildung, Identifikation und Simulation in der Automatisierungstechnik”, Anif/Salzburg, Austria, 2012, p. 49–65.
[BibTex]@InProceedings{Blank12, author = {Blank, Mathias and Gl{\"u}ck, Tobias and Kreuter, H-P. and Kugi, Andreas}, title = {{Modellierung eines Smart High-Side Power {IC}s}}, booktitle = {Tagungsband GMA-Fachausschuss 1.30 ''Modellbildung, Identifikation und Simulation in der Automatisierungstechnik''}, year = {2012}, publisher = {Technische Universit{\"a}t Darmstadt Institut f{\"u}r Automatisierungstechnik und Mechatronik}, month = {9}, isbn = {978-3-9815012-2-3}, pages = {49--65}, address = {Anif/Salzburg, Austria}, }