Digitale Regelung der Zwischenkreisspannung Spannung runter spart Energie

In einer Fallstudie testete Ericsson einen neuen Algorithmus zur Regelung der Zwischenkreisspannung in dezentralen Stromversorgungen. Wenn wenig Leistung angefordert wird, senkt ein Controller die Zwischenkreisspannung und spart so Energie. Energie, die sonst in den Gleichspannungswandlern in Wärme umgewandelt würde.

Spannungszwischenkreise in Stromversorgungen, auch als Intermediate Bus Architecture (IBA) bezeichnet, wurden in den späten 1990er Jahren in Geräten der Informations- und Telekommunikationstechnik eingeführt. Ein auf der Leiterplatte montierter DC/DC-Wandler wandelt die 48- oder 24-V-Versorgungsspannung in eine niedrigere Zwischenkreisspannung. Über diesen Spannungszwischenkreis werden die auf der Leiterplatte verteilten und nahe der Last platzierten DC/DC-Wandler (PoL, Point of Load) gespeist. Erst sie erzeugen die jeweiligen Betriebsspannungen für die ICs. 

Die Zwischenkreisspannung variiert von Anwendung zu Anwendung und wird so gewählt, dass die Verteilungsverluste in den Kupferleiterbahnen sowie die Verlustleistung in den PoL-Abwärtswandlern niedrig sind. Bei kleinen Baugruppen bevorzugen Entwickler einen 5-V-Zwischenkreis, um niedrige Verluste bei der Abwärtswandlung zu erreichen.

Für große Baugruppen wird dagegen ein 12-V-Zwischenkreis gewählt, um die Stromstärke in den Zwischenkreisleiterbahnen und damit die Verteilungsverluste zu reduzieren. In solchen dezentralen Stromversorgungen sind die Leistung des Zwischenkreiswandlers und die Leistungen der PoL-DC/DC-Wandler auf den Spitzenleistungsbedarf der Baugruppe dimensioniert. Diese starre Auslegung auf Spitzenlast führt zu unnötig hoher Verlustleistung, wenn im Betrieb die Last unter der Nennlast liegt. Aktuelle Studien in Rechenzentren zeigen, dass in 80 % der Zeit die Systeme mit niedriger Auslastung betrieben werden.

Um die Stromversorgung besser für eine schwankende Belastung - von fast keinem Datenverkehr bis hin zur Vollauslastung - auszulegen, entwickelte Ericsson im Jahr 2008 den ersten digital geregelten Zwischenkreiswandler - den „Advanced Bus Converter“ BMR453. Dieser DC/DC-Wandler basiert auf einem digitalen Controller mit Kommunikationsschnittstelle, die dem Power-Management-Bus-Standard PMBus entspricht.

Dies war der erste steuerbare Zwischenkreiswandler, der eine Anpassung der Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit von den Lastschwankungen in Echtzeit ausführen konnte. Ericsson baute dieses Konzept inzwischen mit digital geregelten PoL-DC/DC-Wandlern aus - BMR450 (20 A) und BMR451 (40 A).

Per Modell die Leistung optimieren   

Für die Simulation wurde eine dezentrale Stromversorgung modelliert. Sie setzte sich aus einer Kombination von PoL-DC/DC-Wandlern der 3E-Serie von Ericsson (zwei BMR 450 und vier BMR 451) zusammen. Versorgt wurden die PoL-DC/DC-Wandler von einem digital geregelten Zwischenkreiswandler, ebenfalls aus der 3E-Serie von Ericsson (BMR 453). Mit der Simulation wurden Steuerungsalgorithmen untersucht, die künftig in die Firmware von Powermanagement-Controllern implementiert werden können.

Die Verlustleistung eines DC/DC-Wandlers lässt sich in der Theorie sehr einfach mit einer mathematische Formel beschreiben: 

PV = PLast T1 + PLast T2 + PL ESR + PAC T1 + PAC T2 + PAC ESR + PSchalt

PV = TV × i2Last × RDS ein T1 + (1-TV) × i2Last × RDS ein T2 + i2Last × ESRL + TV × i2eff × RDS ein T1 + (1-TV) × i2eff × RDS ein T2 + i2eff × (ESRL + ESRC) + iLast × UE × tx/TS 

mit: PV = Gesamtverlustleistung; TV = Tastverhältnis; iLast = Laststrom; RDS ein T1 = Drain-Source-Widerstand des eingeschalteten, spannungsseitigen MOSFET; RDS ein T2 = Drain-Source-Widerstand des eingeschalteten, masseseitigen MOSFET; ESRL = äquivalenter Serienwiderstand der Spule; ieff = Wechselstromanteil des Drainstromes; ESRC = äquivalenter Serienwiderstand des Kondensators; tx = Summe der Anstiegs- und Abfallzeit; TS = Periodendauer (1/Schaltfrequenz).

In der Praxis ist die Verlustleistungsermittlung wesentlich komplizierter, so dass für den Algorithmus eine Tabelle mit Messwerten von verschiedenen DC/DC-Wandlern herangezogen wurde. Damit war eine Korrelation der Messwerte mit den Simulationsergebnissen möglich.

In der Fallstudie wurden alle Parameter an verschiedenen Betriebspunkten gemessen - vom Leerlauf bis zur Volllast. Bild 1 zeigt die an einem DC/DC-Wandler des Typs BMR450 gemessene Verlustleistung. Als Ausgangsspannung wurde 1 V gewählt. Die Last variiert im Bereich von 0 bis 20 A (Volllast) und die Zwischenkreisspannung am Eingang von 4,5 V bis 14 V. Für jeden Betriebspunkt wurde die Verlustleistung gemessen. In der gleichen Weise wurde die Verlustleistung bei allen DC/DC-Wandlern ermittelt - einschließlich des Zwischenkreiswandlers BMR453, der eine Eingangsspannung zwischen 36 V und 75 V verarbeiten muss.

Aus den gesammelten Messdaten wurden Polynome für die DC/DC-Wandler nach der Methode der kleinsten quadratischen Abweichung ermittelt. Diese Polynom-Modelle sind die Grundlage für die Computer-Simulation mit dem Programm Simulink.

Um die Zwischenkreisspannung dynamisch zu regeln, wurde ein Algorithmus angewendet, der die gleichen Messdaten sammelt, wie sie zur Erstellung des Simulationsmodells verwendet wurden. Dieser Algorithmus sendet auch Befehle an den Zwischenkreiswandler (BMR453), um die Zwischenkreisspannung für die jeweilige Last auf einen optimalen Wert einzustellen.