Beiträge zur Modellierung und Regelung des LCC-Serien-Parallel Resonanzkonverters mit Spannungsverdopplerschaltung

Die Erzeugung hoher gepulster Spannungen von bis zu 150 kV bei Pulsleistungen bis zu 100 kW stellt eine Anwendung der Leistungselektronik dar. Dabei werden nach dem Stand der Technik resonant betriebene leistungselektronische Schaltungen verwendet. Eine sehr attraktive Schaltung stellt dabei der LCC-Serien-Parallel Resonanzkonverter dar. Dieser kann die parasitären Elemente eines Hochspannungstransformators direkt als Elemente des Resonanzkreises nutzen. Zur weiteren Spannungserhöhung können Spannungsvervielfacherschaltungen, wie z. B. die Greinacher-Kaskadenschaltung, genutzt werden.

In dieser Arbeit werden zunächst resonant betriebene leistungselektronische Schaltungen sowie Spannungsvervielfacherschaltungen vorgestellt.

Aufbauend auf einem vereinfachten Ersatzschaltbild wird in der Arbeit ein gemitteltes mathematisches Modell des Konverters für den Betrieb im quantum operation mode abgeleitet. Dazu wird die verallgemeinerte Zustandsraummittelung auf das Gleichungssystem des Konverters angewendet. Dabei wird auf Grund des starken Bandpassverhaltens des Resonanzkreises nur die Größe an der Schaltfrequenz beschrieben. Es werden Amplituden und Phasenlage der mit der Resonanzfrequenz schwingenden Größen als zeitlich veränderliche Gleichgrößen modelliert. Diese Lösung wird in die Differenzialgleichungen des Systems eingesetzt und bietet eine ausreichende Genauigkeit, was durch Simulation und experimentelle Ergebnisse verifiziert wird.

Zur Regelung des Konverters werden zwei Regelungskonzepte beschrieben, welche neben der Stellung der Ausgangsspannung auch eine Begrenzung des Resonanzstroms erreichen können. Zunächst wird ein kaskadiertes Regelungsverfahren vorgestellt. Danach wird ein flachheitsbasiertes Regelungskonzept beschrieben. Es werden die flachen Ausgänge des Systems abgeleitet, Möglichkeiten der Trajektorienplanung dargestellt und ein Folgeregler entworfen. Ein zeitoptimaler Hochlaufvorgang der Ausgangsspannung des Konverters kann durch die Vorgabe einer Trajektorie für den Resonanzstrom erreicht werden. Aufbauend auf den vorgestellten Regelungsverfahren wird die Echtzeitimplementierung auf einem skalierten Versuchsstand dargestellt. Dabei wird auf Grund der hohen Resonanzfrequenz von 500 kHz ein FPGA zur Regelung verwendet. Experimentelle Ergebnisse belegen die Funktionsfähigkeit der beschriebenen Verfahren.