Digital control strategies for EMI reduced switching of Smart Power Switches

Abstract

Smart Power Switches sind Leistungsschalter mit integrierten Regelungs- und Schutzfunktionen für den Einsatz in industriellen und automobilen Anwendungen. Durch das schnelle und periodische Schalten von Mittel- und Hochstromlasten erzeugen Smart Power Switches ungewollt elektromagnetische Störungen. Diese meist netzgebundenen Störungen können durch aktive Regelung der Schaltflanke reduziert werden. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung von digitalen Regelungskonzepten für die Schaltflankenregelung von Smart Power Switches. Im ersten Teil der Arbeit wird ein mathematisches Modell erstellt, welches mit einer minimalen Anzahl an Zuständen und Modellparametern den Schaltvorgang des Smart Power Switches exakt beschreibt. Dieses Modell wird für Simulationsstudien und für den modellbasierten Reglerentwurf verwendet. Anschließend werden anhand verschiedener idealisierter Schaltvorgänge die Einflussfaktoren auf die Amplitude und den Verlauf des Frequenzspektrums der leitungsgebundenen Störungen untersucht. Basierend auf diesen Untersuchungen werden verschiedene Regelungskonzepte vorgestellt, welche alle auf der Vorgabe von sogenannten Gatestromprofilen basieren. In der ersten Strategie werden die Gatestromprofile so berechnet, dass die erste Ableitung der Ausgangsspannung des Smart Power Switches leistungsoptimal limitiert wird. Für die Berechnung der Gatestromprofile wird ein Optimalsteuerungsproblem unter Berücksichtigung des mathematischen Modells des Smart Power Switches formuliert und numerisch gelöst. In der zweiten und dritten Strategie werden jeweils die Gatestromprofile iterativ von Schaltvorgang zu Schaltvorgang mithilfe einer Iterativ Lernenden Regelung adaptiert, um Änderungen der Last und der Versorgungsspannung kompensieren zu können. Im Detail handelt es sich bei der zweite Strategie um eine Trajektorienfolgeregelung, welche es ermöglicht, einem gaußförmigen Sollverlauf ideal zu folgen. Die dritte Strategie erlaubt die leistungsoptimale Limitierung und Regelung der ersten und/oder der zweiten Ableitung der Ausgangsspannung. Die Konvergenz der iterativen Strategien wird anhand des mathematischen Modells des Smart Power Switches gezeigt. Anschließend wird die Qualität und Robustheit der entwickelten Regelungskonzepte anhand von Messungen am Versuchsaufbau im Zeit- und Iterationsbereich demonstriert. Zudem wird ein EMV Test nach dem CISPR 25 Standard durchgeführt. Die Testergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz der entwickelten Regelungsstrategien die netzgebundenen Störungen drastisch reduziert werden können bei einem durchaus akzeptablen Anstieg der Verlustleistung.

Smart Power Switches are widely used in industrial and automotive applications for the switching of middle and high current loads. Due to their rapid and periodic switching, Smart Power Switches generate conducted electromagnetic interferences which have to be limited in order to fulfill the demands on electromagnetic compatibility. One possibility to reduce these electromagnetic disturbances is by the active control of the switching transition. Therefore, this thesis deals with the development of digital feedforward control concepts for the switching transition control of Smart Power Switches. First, a mathematical model of the Smart Power Switch is developed which accurately describes the switching transition with a minimal number of states and model parameters. This model is used for simulation studies as well as for a model-based controller design. Second, the influence of the switching transition on the generation of conducted electromagnetic interferences is investigated for different idealized switching transitions. Based on this investigation, different feedforward control strategies are introduced which all use gate current profiles as control inputs. In the first strategy, the feedforward gate current profiles are designed to limit and control the slew rate of the switching transition in a power optimal way. Therefore, the profiles are determined by numerically solving an optimal control problem subjected to the mathematical model of the Smart Power Switch. The second design aims at tracking a desired Gaussian-shape switching transition and the third design limits and controls the first- and/or second-order derivatives of the switching transition in a power-optimal manner. In the second and third design, the feedforward gate current profiles are iteratively adapted from switching cycle to switching cycle by an Iterative Leaning Control (ILC) strategy to compensate for model uncertainties and variations of the load and supply voltage. The performance and robustness of the developed control concepts are first analyzed based on the mathematical model of the Smart Power Switch. Moreover, a series of test bench measurements in the time and iteration domain is performed under different load and supply conditions. Finally, the electromagnetic compatibility is tested according to the CISPR 25 standard. The test proves that the generation of conducted electromagnetic emissions can be significantly reduced in a power efficient way by the proposed control concepts.