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

Transkrypt

1 Optymalizacja parametrów pracy przetwornicy DC-DC z szeregowo-równoległym obwodem rezonansowym Dr inż. Rafał Widórek Fideltronik: Dział Badań i Rozwoju AGH: Wydział IET, Katedra Elektroniki PTETIS, FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISE

2 Copyright 014 Fideltronik Plan Prezentacji Rezonansowe przetwornice mocy Metoda Wykradania Impulsów Sterujących (ang. Sequential Cycle Stealing - SCS) Implementacja kontrolera SCS Wyniki pracy Wady metody SCS Podsumowanie

3 Copyright 014 Fideltronik 3 Podstawowe układy przetwornic rezonansowych Half-Bridge Full-Bridge V BUS V BUS V BUS Class D Resonant Ta nk Resonant Ta nk V BUS V BUS V BUS Class DE Resonant Ta nk Resonant Ta nk

4 Copyright 014 Fideltronik 4 Stosowane obwody rezonansowe 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

5 Copyright 014 Fideltronik 5 Charakterystyka impedancji obwodu LC w zależności od częstotliwości LC Tank Impedance [Ω] R L =10Ω Operating range R L =3Ω R L =0.5Ω R L =0.1Ω

6 Copyright 014 Fideltronik 6 Klasyczny układ przetwornicy klasy D z szeregowym obwodem rezonansowym V GS f>f 0 L H L H Q 1 D 1 0 π π ωt V in A i L S C S R L V DS V IN Q D V DS 0 i 0

7 Copyright 014 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

8 Copyright 014 Fideltronik 8 Klasyczny układ przetwornicy klasy DE z szeregowym obwodem rezonansowym V GS f>f 0 L H L H V in Q 1 D 1 A i L S C Q1 C S R L 0 V DS V IN π π ωt Q D CQ V DS 0 i 0

9 Copyright 014 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

10 Copyright 014 Fideltronik 10 Uproszczony Schemat Przetwornicy LCLC Q 1 C Q1 C p C Q3 Q 3 V IN A L s L prim C s i r B Q C Q L sec C Q4 Q 4 L F CF R L

11 Copyright 014 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

12 Copyright 014 Fideltronik 1 Transformata Laplace a admitancji obwodu LCLC R L L3 L 1 C 1 U IN (s) I 1 (s) L C I ( s) = U 1 IN ( s) s i 5 + s ( L L 1 L C C ( L C R L + L s L M C 1 R L 4 ( LL3C 1C C C ) + s 1 + L C R 1 L 4 3 M C1C ) + s LC1C R 3 ( L L C C R ) + s ( L L C 1 ) + sl R L L 1 3 L 1 + s L3C1 + L L C 3 + sc1r M C L + L p1ret p3 t { R e cos( p t + ψ ) + R e ( p t + ψ )} Re 1( t) = U 1 1Im R1 3 cos 3Im R3 L C 3 1 M C 1 ) +

13 Copyright 014 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

14 Copyright 014 Fideltronik 14 Odpowiedź na skok jednostkowy napięcia układu LCLC z obciążeniem w postaci prostownika z filtrem LC Obciążenie rezystancyjne Obciążenie prostownikiem

15 Charakterystyka impedancji obwodu LCLC w zależności od częstotliwości Impedancja obwodu LCLC Zakres pracy Impedancja [Ω] Nominalne obciążenie Zwarcie Brak obciążenia Częstotliwość [Hz] FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISE Copyright 014 Fideltronik 15

16 Copyright 014 Fideltronik 16 Model Fizyczny Zasilacz 3kW 48V/63A filtr wejściowy, układ PFC, przetwornica rezonansowa LCLC Płyta sterująca Oprogramowanie płyty sterującej (FPGA oraz uc)

17 Sprawność zasilacza z modulacją częstotliwości FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISE Copyright 014 Fideltronik 17

18 Copyright 014 Fideltronik 18 Założenia nowej metody sterowania Zwiększenie sprawności energetycznej przetwornicy rezonansowej, w szczególności w zakresie niskich obciążeń Obniżenie poziomu emisji zaburzeń elektromagnetycznych przetwornicy rezonansowej Cyfrowa implementacja pozwalająca na łatwą modyfikację algorytmu

19 Copyright 014 Fideltronik 19 Wprowadzenie do Metody SCS Wygaszanie Impulsów Sterujących (ang. Sequential Cycle Stealing - SCS) Patent polski P395844, Międzynarodowe zgłoszenie patentowe PCT/EP01/ (C. Worek, AGH) Grant celowy 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.

20 Copyright 014 Fideltronik 0 Uproszczony schemat blokowy kontrolera SCS DC-DC Resonant Converter V out Comparator wit h Hyst. Gate Signal Drive Logic Switch En able PDM Generator

21 Metoda SCS zasada działania U wyjściowe U półmostków I kluczy I rezonansowy Źródło: C. Worek, A method for controlling a resonant- mode power supply and a resonant-mode power supply with a controller. International Patent PCT/EP01/064379, 013 FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISE Copyright 014 Fideltronik 1

22 Implementacja Kontrolera SCS Schemat Blokowy Leg A High Analog Switch Drivers Leg A Low Leg B High Leg B Low DC-DC Resonant Converter I res di res /dt V out Resonant Current Measurement Resonant Current Derivative Measurement Output Voltage Measurement High Gate Digital Low Gate I res [n] Comparator with hysteresis di res [n ] Comparator with hysteresis Vout[n] ResCurPos ResCurNeg DerCurPos DerCurPos Gate Signal Generator SWITCH Sequential Cycle Stealing State Machine Stop[n] Comparator with hysteresis Ref[n] FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISE Copyright 014 Fideltronik

23 Copyright 014 Fideltronik 3 Maszyna Stanów Kontrolera SCS Restart sequence finished Timeout = 0 Restart Run Sync = 1 and Stop = 0 Stop = 0 or Sustain = 1 Stop = 1 Timeout Sync Stop Timeout = 1 Sync = 1 and Stop = 1 Sustain sequence finished Sustain

24 Copyright 014 Fideltronik 4 Zmodyfikowane Kryterium Poprawnej Synchronizacji V gate1 V gate Q Q3 Q1 Q4 i r I th_pos I th_neg ResCurPos ResCurNeg DerCurPos DerCurNeg STOP Stop Sync Restart Run

25 Copyright 014 Fideltronik 5 Mechanizm Podtrzymania Prądu Rezonansowego k Pomiar wartości skutecznej prądu rezonansowego z ostatnich 30µs Jeżeli wartość spadnie poniżej zadanego progu należy dokonać synchronizacji, a następnie przełączenia kluczy x RMS [ ] [ ] [ ] n = k x n 1 + x n x [ n k 1] RMS x RMS [n] wartość crms z ostatnich k próbek k ilość próbek na okres Utrzymywanie amplitudy prądu rezonansowego na poziomie niezbędnym do miękkiego przełączania

26 Copyright 014 Fideltronik 6 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

27 Copyright 014 Fideltronik 7 Zbocze napięcia wyjściowego półmostka V HB Good Dead Time and Enough Energy De ad Time V HB De ad Time Too Long and Enough Energy Good Dead Time t To o Long Dead Time t V HB De ad Time Too Short o r Energy Too Small Dead Time V HB Energy Too Small Dead Time t t

28 Copyright 014 Fideltronik 8 Udokumentowanie Pracy Przetwornicy LCLC z Systemem Sterowania SCS Napięcia wyjściowe jednego z półmostków Zbocza narastające Zbocza opadające

29 Copyright 014 Fideltronik 9 Udokumentowanie Pracy Przetwornicy LCLC z Systemem Sterowania SCS Napięcie wyjściowe jednego z półmostków oraz prąd rezonansowy

30 Pomiar Sprawności Przetwornicy FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISE Copyright 014 Fideltronik 30

31 Porównanie Strat Mocy przy sterowaniu FM oraz SCS FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISE Copyright 014 Fideltronik 31

32 Copyright 014 Fideltronik 3 Pomiar Zaburzeń Przewodzonych Zasilacza Norma EN 550 określa dopuszczalne poziomy generowanych zaburzeń przewodzonych dla sprzętu teleinformatycznego L N PE Sieć Stabilizacji Impedancji LISN Miernik Zaburzeń Schemat pomiarowy Filtr Wejściowy Zasilacza Zasilacz Układ PFC oraz przetwornica DCDC Komora bezodbiciowa

33 Pomiar Zaburzeń Przewodzonych Zasilacza dla Metod FM oraz SCS 100 EN 550 Class A Conducted Emissions 90 SCS Class A QP Class A AV Level (dbuv) k 1M 10M 30M Frequency (Hz) 100 EN 550 Class A Conducted Emissions Class A QP Class A AV FM Level (dbuv) 0 10 FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISE Copyright 014 Fideltronik k 1M 10M 30M Frequency (Hz)

34 Copyright 014 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

35 Przetwornica klasy D z szeregowym obwodem rezonansowym z modulatorem Delta-Sigma V Gate V OUT I Resonant Źródło: H. Koizumi: Delta-Sigma Modulated Class D Series Resonant Converter, Power Electronics Specialists Conference, 008 FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISE Copyright 014 Fideltronik 35

36 Copyright 014 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 filtrację generowanych zaburzeń przewodzonych Udoskonalono metodę SCS poprzez dodanie Poprawionych warunków synchronizacji Mechanizmu podtrzymania prądu rezonansowego Mechanizmu równoważenia obciążenia kluczy

37 Dziękuję za uwagę FIDELTRONIK CUSTOMER CENTRIC ENTERPRISE Copyright 014 Fideltronik 37