Upload
others
View
17
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 3
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 4
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 5
Charakterystyka impedancji obwodu LC w zależności od częstotliwości
LC Tank Impedance [Ω]
RL=0.1Ω
RL=3Ω
RL=0.5Ω
Operating rangeRL=10Ω
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 6
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 7
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 8
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 9
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 10
Uproszczony Schemat Przetwornicy LCLC
VIN
Q1
Q2
CQ1
CQ2
Cp
LprimLs Cs
RL
BA
Q3
Q4
CQ3
CQ4
ir
LFCF
Lsec
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 11
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 12
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)
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 13
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 14
Odpowiedź na skok jednostkowy napięcia układu LCLC z obciążeniem w postaci prostownika z filtrem LC
Obciążenie prostownikiem
Obciążenie rezystancyjne
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 15
Charakterystyka impedancji obwodu LCLC w zależności od częstotliwości
Impe
danc
ja [Ω
]
Brak obciążenia
Nominalne obciążenie
Zwarcie
Zakres pracyImpedancja obwodu LCLC
Częstotliwość [Hz]
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 16
Model Fizyczny
• Zasilacz 3kW 48V/63A– filtr wejściowy, układ PFC, przetwornica rezonansowa LCLC
• Płyta sterująca• Oprogramowanie płyty sterującej (FPGA oraz uC)
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 17
Sprawność zasilacza z modulacjączęstotliwości
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 18
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 19
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.
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 20
Uproszczony schemat blokowy kontrolera SCS
Comparator with Hyst.
PDM Generator
DC-DC Resonant Converter
Drive Logic
Vout
Enable
Switch
Gate Signal
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 21
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 22
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 23
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 24
Zmodyfikowane Kryterium Poprawnej Synchronizacji
Q1Q4
Q2Q3
ir
Vgate1 Vgate2
Ith_pos
Ith_neg
ResCurPos
STOP
ResCurNeg
DerCurPosDerCurNeg
Stop Sync Restart Run
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 25
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 26
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 27
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 28
Udokumentowanie Pracy Przetwornicy LCLC z Systemem Sterowania SCS
Zbocza narastające Zbocza opadające
Napięcia wyjściowe jednego z półmostków
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 29
Udokumentowanie Pracy Przetwornicy LCLC z Systemem Sterowania SCS
Napięcie wyjściowe jednego z półmostków oraz prąd rezonansowy
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 30
Pomiar Sprawności Przetwornicy
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 31
Porównanie Strat Mocy przy sterowaniu FM oraz SCS
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 32
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 33
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 34
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 35
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 36
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
FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISECopyright © 2014 Fideltronik 37
Dziękuję za uwagę