Optymalizacja parametrów pracy przetwornicy DC-DC z...

FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISE

Optymalizacja parametrów pracy przetwornicy DC-DC z szeregowo-równoległym obwodem rezonansowym

Dr inż. Rafał Widórek

Fideltronik: Dział Badań i RozwojuAGH: Wydział IET, Katedra Elektroniki

PTETIS, 27.11.2014

FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 2

Plan Prezentacji

• Rezonansowe przetwornice mocy• Metoda Wykradania Impulsów Sterujących (ang.

Sequential Cycle Stealing - SCS)• Implementacja kontrolera SCS• Wyniki pracy• Wady metody SCS• Podsumowanie


Podstawowe układy przetwornic rezonansowych

Resonant Tank

VBUS

Resonant Tank

VBUS

Resonant Tank

VBUS VBUS

Resonant Tank

VBUS

Half-Bridge Full-Bridge

Class D

Class DE

VBUS


Stosowane obwody rezonansowe

• 2 rzędu (popularne)– Szeregowy, z szeregowym obciążeniem– Szeregowy, z równoległym obciążeniem

• 3 rzędu– Szeregowy z dzieloną indukcyjnością, LLC

(popularny)– Szeregowy z dzieloną pojemnością, LCC

• 4 rzędu– Szeregowo-równoległy LCLC


Charakterystyka impedancji obwodu LC w zależności od częstotliwości

LC Tank Impedance [Ω]

RL=0.1Ω

RL=3Ω

RL=0.5Ω

Operating rangeRL=10Ω


Klasyczny układ przetwornicy klasy D z szeregowym obwodem rezonansowym

Q1 D1

LS CS

Q2

D2

RL

Vini

VDS2

A

VGS

VDS2

VIN

i

f>f0

0

0

0

π 2π ωt

H HLL


Cechy przetwornicy klasy D z szeregowym obwodem rezonansowym

• Jeśli obciążenie półmostka ma charakter indukcyjny:– Klucze włączane są miękko, przy zerowym

napięciu (prawie całkowita redukcja strat włączenia)

– Klucze wyłączane są na twardo (straty wyłączenia są takie same jak w klasycznych układach)

• Jeśli obciążenie półmostka ma charakter pojemnościowy:– Występują dodatkowe przełączenia w cyklu– Wszystkie przełączenia są twarde– Możliwość zniszczenia układu


Klasyczny układ przetwornicy klasy DE z szeregowym obwodem rezonansowym

VGS

VDS2

VIN

i

f>f0

0

0

0

π 2π ωt

H HLL

Q1 D1

LS

CS

Q2

D2

RL

Vini

VDS2CQ2

CQ1

A


Cechy przetwornicy klasy DE z szeregowym obwodem rezonansowym

• Charakter indukcyjny, duża energia w obwodzie:– Klucze włączane i wyłączane są miękko

(prawie całkowita redukcja strat przełączania)• Charakter indukcyjny, mała energia w obwodzie:

– Klucze włączane „półtwardo” (częściowa redukcja strat włączenia

– Klucze wyłączane miękko (prawie całkowita redukcja strat wyłączenia)

• Obciążenie półmostka ma charakter pojemnościowy:– Występują dodatkowe przełączenia cyklu– Włączenia kluczy są twarde– Możliwość zniszczenia układu


Uproszczony Schemat Przetwornicy LCLC

VIN

Q1

Q2

CQ1

CQ2

Cp

LprimLs Cs

RL

BA

Q3

Q4

CQ3

CQ4

ir

LFCF

Lsec


Cechy przetwornicy z układem LCLC

• Wąski zakres zmian częstotliwości kluczowania dla pełnej zmiany obciążenia

• Naturalna odporność na zwarcie wyjścia• Quasi sinusoidalne kształty prądów w obwodach

mocy niezależnie od obciążenia• Miękkie przełączanie kluczy• Pojemności pasożytnicze transformatora dodają się

do pojemności równoległej obwodu rezonansowego i uczestniczą w przetwarzaniu energii

• Możliwość pracy w szerokim zakresie częśtotliwości(do MHz)

• Łatwiejsze spełnienie wymagań kompatybilności elektromagnetycznej


Transformata Laplace’a admitancjiobwodu LCLC

LLLL

L

LLIN

RsLRCLRCLRCLs

CMCLLCMCLLCLLsRCCLLsCCMLCCLLLsRsCCLsRCCLsCCMCCLLssUsI

+++++

+−+−+++−+++−

=

31222112

12

13222

2321313

21214

212

1213215

1132

2123

212

21324

1

)(

)()()()()()(

( ) ( ) 3Im331Im111 coscos2)( Re3Re1R

tpR

tp tpeRtpeRUti ψψ +++= −−

L1 C1

RL

L3

L2

C2

UIN(s)I1(s)


Wady przetwornicy z układem LCLC

• Większa złożoność obwodu• Większe moce bierne w obwodzie• Trudna analiza matematyczna obwodu (mała

dokumentacja literaturowa)• Brak algorytmów na dobór elementów• Złożone układy dla rozwiązań z wysokosprawnymi

prostownikami synchronicznymi


Odpowiedź na skok jednostkowy napięcia układu LCLC z obciążeniem w postaci prostownika z filtrem LC

Obciążenie prostownikiem

Obciążenie rezystancyjne


Charakterystyka impedancji obwodu LCLC w zależności od częstotliwości

Impe

danc

ja [Ω

]

Brak obciążenia

Nominalne obciążenie

Zwarcie

Zakres pracyImpedancja obwodu LCLC

Częstotliwość [Hz]


Model Fizyczny

• Zasilacz 3kW 48V/63A– filtr wejściowy, układ PFC, przetwornica rezonansowa LCLC

• Płyta sterująca• Oprogramowanie płyty sterującej (FPGA oraz uC)


Sprawność zasilacza z modulacjączęstotliwości


Założenia nowej metody sterowania

• Zwiększenie sprawności energetycznej przetwornicy rezonansowej, w szczególności w zakresie niskich obciążeń

• Obniżenie poziomu emisji zaburzeńelektromagnetycznych przetwornicy rezonansowej

• Cyfrowa implementacja pozwalająca na łatwąmodyfikację algorytmu


Wprowadzenie do Metody SCS

• Wygaszanie Impulsów Sterujących (ang. Sequential Cycle Stealing - SCS)

• Patent polski P395844, Międzynarodowe zgłoszenie patentowe PCT/EP2012/064379 (C. Worek, AGH)

• Grant celowy 65010 „Innowacyjny zasilacz rezonansowy dużej mocy do pojazdów hybrydowych i elektrycznych” główny wykonawca R. Widórek; kierownik S.Ligenza

• Współpraca AGH oraz Fideltronik Poland Sp. z o.o.


Uproszczony schemat blokowy kontrolera SCS

Comparator with Hyst.

PDM Generator

DC-DC Resonant Converter

Drive Logic

Vout

Enable

Switch

Gate Signal


Metoda SCS – zasada działania

Uwyjściowe

Upółmostków

Ikluczy

Irezonansowy

Źródło: C. Worek, “A method for controlling a resonant- mode power supply and a resonant-mode power supply with a controller”. International Patent PCT/EP2012/064379, 2013


Implementacja Kontrolera SCS –Schemat Blokowy

DC-DC Resonant Converter

Output Voltage Measurement

Comparator with

hysteresis

Switch Drivers

Gate Signal

Generator

Sequential Cycle Stealing State Machine

Leg A HighLeg A LowLeg B HighLeg B Low

Vout

Vout[n]

Ref[n]

Stop[n]

Ires[n]

SWITCH

High Gate Low Gate

Analog

Digital

Resonant Current

Measurement

Resonant Current

Derivative Measurement

dIres/dtIres

dIres[n]

Comparator with hysteresis

Comparator with hysteresis

ResCurNegResCurPos DerCurPos DerCurPos


Maszyna Stanów Kontrolera SCS

Run

StopSync

Sustain

Restart

Timeout

Restart sequence finished

Stop = 1Stop = 0 or Sustain = 1

Sync = 1 and Stop = 0

Sync = 1 and Stop = 1Timeout = 1

Timeout = 0

Sustain sequence finished


Zmodyfikowane Kryterium Poprawnej Synchronizacji

Q1Q4

Q2Q3

ir

Vgate1 Vgate2

Ith_pos

Ith_neg

ResCurPos

STOP

ResCurNeg

DerCurPosDerCurNeg

Stop Sync Restart Run


Mechanizm Podtrzymania Prądu Rezonansowego

• Pomiar wartości skutecznej prądu rezonansowego z ostatnich 30µs

• Jeżeli wartość spadnie poniżej zadanego progu należy dokonać synchronizacji, a następnie przełączenia kluczy

xRMS[n] – wartość cRMS z ostatnich k próbekk – ilość próbek na okres

• Utrzymywanie amplitudy prądu rezonansowego na poziomie niezbędnym do miękkiego przełączania

[ ] [ ] [ ] [ ]11 2222 −−−+−⋅=⋅ knxnxnxknxk RMSRMS


Mechanizm Zrównoważonego Obciążenia Kluczy Przetwornicy

• Zaimplementowane rozwiązanie zmienia pozostawiony załączony klucz w stanie Stop na przeciwny do poprzedniego

• Zrównoważenie obciążenia wyrównuje temperatury pracy obu kluczy, co przekłada się na zwiększenie ich żywotności


Zbocze napięcia wyjściowego półmostka

VHB Dead Time

t

Good Dead Time

Too Long Dead Time

VHB

t

Dead Time Dead Time

VHB

t

VHB

t

Dead Time Too Short orEnergy Too Small

Good Dead Time andEnough Energy

Energy Too Small

Dead Time Too Long andEnough Energy


Udokumentowanie Pracy Przetwornicy LCLC z Systemem Sterowania SCS

Zbocza narastające Zbocza opadające

Napięcia wyjściowe jednego z półmostków


Udokumentowanie Pracy Przetwornicy LCLC z Systemem Sterowania SCS

Napięcie wyjściowe jednego z półmostków oraz prąd rezonansowy


Pomiar Sprawności Przetwornicy


Porównanie Strat Mocy przy sterowaniu FM oraz SCS


Pomiar Zaburzeń Przewodzonych Zasilacza

• Norma EN 55022 określa dopuszczalne poziomy generowanych zaburzeń przewodzonych dla sprzętu teleinformatycznego

Filtr Wejściowy Zasilacza

Sieć Stabilizacji Impedancji

LISN

Układ PFC oraz przetwornica DCDC

Miernik Zaburzeń

L

NPE

Zasilacz

Schemat pomiarowy

Komora bezodbiciowa


Pomiar Zaburzeń Przewodzonych Zasilacza dla Metod FM oraz SCS

EN 55022 Class A Conducted Emissions

150k 1M 10M 30MFrequency (Hz)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Leve

l (dB

uV)

Class A QP

Class A AV

EN 55022 Class A Conducted Emissions

150k 1M 10M 30MFrequency (Hz)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Leve

l (dB

uV)

Class A QP

Class A AV

SCS

FM


Wady Sterowania SCS

• Mniej dokładna regulacja napięcia wyjściowego w funkcji obciążenia

• Podwyższony poziom generowanych dźwięków w paśmie akustycznym

• Większa złożoność kontrolera w stosunku do sterowania metodą FM


Przetwornica klasy D z szeregowym obwodem rezonansowym z modulatorem Delta-Sigma

Źródło: H. Koizumi: „Delta-Sigma Modulated Class D Series Resonant Converter”, Power Electronics Specialists Conference, 2008

IResonant

VGate

VOUT


Podsumowanie

• Zrealizowano pierwszą implementację w skali światowej metody sterowania SCS oraz udokumentowano jej podstawowe cechy

• Wykazano, że metoda SCS znacząco poprawia sprawność w zakresie obciążeń poniżej 50%

• Wykazano, że metoda SCS pozwala na lepszą integrację, ze względu na zmniejszenie rozmiaru niektórych komponentów

• Wykazano, że metoda SCS pozwala na prostszą filtracjęgenerowanych zaburzeń przewodzonych

• Udoskonalono metodę SCS poprzez dodanie– Poprawionych warunków synchronizacji– Mechanizmu podtrzymania prądu rezonansowego– Mechanizmu równoważenia obciążenia kluczy


Dziękuję za uwagę

Optymalizacja parametrów pracy przetwornicy DC-DC z...

Documents

Transcript of Optymalizacja parametrów pracy przetwornicy DC-DC z...